JP5878234B2 - スロットラブル排気ベンチュリ - Google Patents

Description

本出願は、米国仮特許出願第６１／４８０，８３５号に対して優先権の利益を主張しており、その出願は、２０１１年４月２９日に出願され、かつ、発明の名称が「スロットラブル(throttleable）排気ガス負圧化(suction)システム」であり、その出願は、特に、その出願が開示しまたは教示しているすべての事項につき、引用により本出願に合体させられる。
本発明は、一般に、燃焼エンジン技術に関する。

燃料と空気との燃焼または燃料と酸化剤との他の燃焼は、内燃機関内において発生し、そのような燃焼は、多量の熱を発生させ、その多量の熱は、一般に、シリンダ壁によって放散されるとともに、ピストンを通過して放散される。内燃機関から発生し得る利用可能な機械的動力(power、パワー）のうち５０％というように多い量が熱として損失されてしまうことが推定される。エンジン冷却により、燃焼ガスから熱を取り出すための仕組みが生まれてしまい、それにより、それら燃焼ガスから取り出し得る機械的動力(power、パワー）の量が減少する。その結果、この熱の放散により、エンジンの効率が大きく低下する。例えば、自動車においては、エンジン内における燃料と酸化剤との燃焼から生成される利用可能な化学的エネルギーのうち約２５％が、ラジエータを通して放散することが推定される。この放熱量は、利用可能な全動力(power、パワー）のうち、エンジンのクランクシャフトから取り出される利用可能な機械的動力(power、パワー）に変換される部分に匹敵する。残りのエネルギー（例えば、約５０％）は、一般に、排気システムによって損失する（ターボチャージャまたは同様なメカニズムであって排気ガスによって駆動されるものを組み込むことによって部分的なエネルギー回収が行われる可能性があるが）。燃料代が増すにつれ、このような損失エネルギーのうちの一部を回収する方法およびシステムがますます要望されている。

移動する乗物に用いられる排気システム内にベンチュリを組み込もうとする試行がこれまで行われてきており、それら試行は、大きな効率ゲインを生み出すことができなかった。さらに、それらの従来技術の設計構造では、燃焼エンジンの出力状態が変化する範囲に亘ってスロットラブル(throttleable）であるようにすることができない。

本明細書に記載されているいくつかの実施態様および特許請求の範囲の欄に記載されているいくつかの実施態様は、上述のいくつかの問題を、あるスロットラブル(throttleable）・ベンチュリ を提供することによって解決するものであり、そのスロットラブル・ベンチュリは、有効スロート(effective throat、当該ベンチュリのうち、有効断面積が最小である部分)を含み、その有効スロートは、可変の(adjustable、調節可能な)サイズを有し、そのサイズは、分離状態にある（separate、第２流体流から分離している状態にあり、混合状態にない）第１流体流の、分離状態にある（separate、第１流体流から分離している状態にあり、混合状態にない）第２流体流に対する質量流量比(mass flow ratio、質量流比、混合比)の、当該ベンチュリの前記有効スロートの位置における値によって定義される。

本明細書に記載されているいくつかの実施態様および特許請求の範囲の欄に記載されているいくつかの実施態様は、上述のいくつかの問題を、ある方法をさらに提供することによって解決するものであり、その方法は、スロットラブル(throttleable）・ベンチュリの有効スロートにおいて、第１流体流を第２流体流内に噴射する工程を含み、前記有効スロートは、可変の(adjustable、調節可能な)サイズを有し、そのサイズは、前記第１流体流の、前記第２流体流に対する質量流量比(mass flow ratio、質量流比、混合比)によって定義される。

本明細書に記載されているいくつかの実施態様および特許請求の範囲の欄に記載されているいくつかの実施態様は、上述のいくつかの問題を、あるスロットラブル(throttleable）・ベンチュリをさらに提供することによって解決するものであり、そのスロットラブル・ベンチュリは、当該ベンチュリの有効スロートの位置において、周囲流体流(ambient fluid stream、大気流体流）をマッハ約０．３より速い亜音速まで加速する周囲流体通路と、当該ベンチュリの前記有効スロートの位置において、燃焼エンジン排気ガス流を前記周囲流体流内に放出する燃焼エンジン排気アウトレットとを含み、当該ベンチュリの前記有効スロートは、前記周囲流体流の、前記燃焼エンジン排気ガス流に対する質量流量比(mass flow ratio、質量流比、混合比)に応じて変化するサイズおよび位置を有する。

他のいくつかの実施態様も本明細書に記載されるとともに特許請求の範囲の欄に記載されている。

図１は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリを搭載した車両を部分的に示す斜視図である。 図２は、バキューム圧(vacuum pressure、負圧）を、制御可能な状態で、燃焼エンジン排気ガスに提供し、その結果、排気ガスの出力が変化するシステムを示すフローチャートである。 図３は、例示的な３気筒ピストン燃焼エンジンにつき、燃費(fuel economy、燃料経済性)の相対的改善率(relative improvement、本発明実施後の燃費の、本発明実施前の燃費に対する比率)が排気ガスの負圧(suction pressure)およびエンジン負荷に応じて変化する様子を示すグラフである。 図４は、今回開示されている技術の一実施態様につき、ベンチュリ対空気の密度比(venturi air density ratio）がマッハ数に応じて変化する様子を示すグラフである。 図５は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリを示す断面図である。 図６は、図５に示す例示的なスロットラブル排気ベンチュリのうちの中央管を詳細に示す図である。 図７は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリであって低排気出力状態で作動するものを、対応する複数本の流線(fluid flow streamlines)と共に示す断面図である。 図８は、図７に示す例示的なスロットラブル排気ベンチュリのうちの中央管を詳細に示す図である。 図９は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリであって高排気出力状態で作動するものを、対応する複数本の流線と共に示す断面図である。 図１０は、図９に示す例示的なスロットラブル排気ベンチュリのうちの中央管を詳細に示す図である。 図１１は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリであって渦発生器を搭載したものを示す断面図である。 図１２は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリにおいて、排気ガスの最大静負圧(static suction pressure)がベンチュリ・スロート(throat、のど部、狭窄部、絞り部、縮流部）における周囲流体の流線のマッハ数に応じて変化する様子を示すグラフである。 図１３は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリにおいて、燃焼排気ガスのよどみ点負圧(stagnation suction pressure)が燃焼排気ガスのマッハ数に応じて変化する様子を示すグラフである。 図１４は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリのベンチュリ・スロートにおいて、周囲流体の複数本の流線が音速を取得する作動領域を示すグラフである。 図１５は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリにおいて、ベンチュリ・インレット断面積対ベンチュリ・スロート断面積の比率が負圧(suction pressure)とマッハ数とに及ぼす影響を示すグラフである。 図１６は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリにおいて、周囲流体と燃焼排気ガスとが一様に混合されて成る一様混合流体流についてのいくつかの特性が、周囲流体対燃焼排気ガスの質量流量比(mass ratio)に応じて変化する様子を示すグラフである。 図１７は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリにおいて、完全な非混合状態にある複数の流体流であって前記ベンチュリのスロート内を流れるものと、完全な混合状態にある流体流であって前記ベンチュリのスロート内を流れるものとにつき、燃焼排気ガスのマッハ数が周囲流体対燃焼排気ガスの質量流量比(mass ratio)に応じて変化する様子を示すグラフである。 図１８は、図１７に由来する複数の解の集まりを、別の設計上の拘束条件と共に示すグラフであり、その別の設計上の拘束条件は、３種類のベンチュリ・スロート設計例において、それぞれ、有効スロートの断面積が、燃焼排気ガスの質量流量が増加するにつれて変化する特性に関連付けられている。 図１９は、図１７および図１８に示す３種類のベンチュリ・スロート設計例につき、それぞれ、周囲流体対燃焼排気ガスの質量流量比(mass flow ratio)が、燃焼排気ガスの質量流量出力比(mass flow output ratios、ベンチュリ出口位置における、燃焼排気ガスの質量流量の、混合流体流の質量流量に対する比率)が異なるにつれて変化する様子を示すグラフである。 図２０は、図１７，図１８および図１９に示す３種類のスロットリング(throttling)・ベンチュリ・スロート設計例につき、それぞれ、適切な大気出口圧を達成するために、一様混合ベンチュリ出口断面積の、燃焼エンジン・ポート出口断面積に対する比率が、燃焼排気ガスの質量流量出力比に応じて変化する様子を示すグラフである。 図２１は、燃焼排気アウトレットの位置において負圧(suction pressure)を作用させることにより、エンジン燃料効率を改善するための作動例(example operations)を示している。 図２２は、エンジンの燃料効率を向上させるために、スロットラブル排気ベンチュリを用いるための作動例(example operations)を示している。 図２３は、本明細書に開示されている設計方針に基づくスロットラブル排気ベンチュリを用いた複数の路上試験の実例(road test trials)と、対応する相対的燃費改善率とを示している。 図２４は、本明細書内において引用された複数の式の一部を示す。 図２５は、本明細書内において引用された複数の式の別の一部を示す。 図２６は、本明細書内において引用された複数の式の別の一部を示す。 図２７は、本明細書内において引用された複数の式の別の一部を示す。

図１は、車両１０２を部分的に示す斜視図であり、その車両１０２は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリ１００を搭載している。車両１０２は、ピックアップ・トラックのうちの後半部分として描かれており、その車両１０２のうちの前半部分は、説明の便宜上、省略されている。車両１０２は、燃焼エンジン（図示しない）を備えており、その燃焼エンジンは、燃焼排気ガスを発生させ、その燃焼排気ガスは、矢印１０４によって図示されているように、１または複数のパイプ、マフラおよび／または触媒コンバータ（例えば、マフラ１０６およびインレット・パイプ（inlet pipe、流入管）１１０）内を流れ、そして、スロットラブル(throttleable）・ベンチュリ１００内に流入する。

本明細書に今回開示されている技術は、内燃（ＩＣ）ピストン・エンジンに関連して使用されるように特化されて説明されているが、今回開示されている技術は、他の形式のエンジンと共に使用してもよい。例えば、今回開示されている技術は、高温の燃焼ガスからパワー(power、動力）を取り出すタービン、前記ＩＣエンジンとタービンとから成る混成体（例えば、ターボチャージャ付きエンジンおよびターボコンパウンド型エンジン）、および／または、流体ガスからの熱を利用可能な機械的仕事（useful mechanical work）に変換するために、当該エンジン内における複数の流体間の圧力比(pressure ratio of fluids)を使用する他のエンジンと共に使用してもよい。今回開示されている技術は、移動するかまたは移動可能な他の車両に適用することも可能であり、そのような車両としては、飛行機、宇宙船、船舶（水上用および水中用）、陸上走行車両、および他のすべての車両であって、機械的動力(mechanical power)を、当該車両（例えば、燃焼エンジンが搭載された車両）のエンジンから最終的に排出されるガス（gases）から発生させるものがある。

車両１０２が移動状態にあると、その車両１０２を包囲している周囲流体（ambient fluid、大気流体）であって、車両１０２の移動速度と比較すれば静止していると言えるもの(relatively stationary）（例えば、空気（air）または水(water)）が、矢印１０８によって図示されるように、ベンチュリ１００内に押し込まれる（forced into）。本明細書に今回開示されている技術は、定置型燃焼エンジン（stationary combustion engine、固着物に設置されるエンジン、固定設置型）に、ベンチュリ１００によって捕捉可能な、利用可能かつ移動する作動流体（moving working fluid）（燃焼エンジン排気ガス(exhaust、排気物、排気物質）とは別のもの）を伴う状態で、適用することも可能である。

インレット・パイプ１１０内の燃焼エンジン排気ガス（矢印１０４により図示される）と、ベンチュリ１００内に押し込まれる、前述の、他のものを包囲している周囲流体（矢印１１０により図示される）とは、ベンチュリ１００内において混合され、その目的は、１または複数の影響を前記燃焼エンジン（後に詳述する）に与えることにあり、それら影響は、性能(performance、エンジン性能）を向上させるものである。前記周囲流体およびエンジン排気ガスの混合物は、その後、矢印１１２により図示されるように、ベンチュリ１００および車両１０２から流出する。

一実施態様においては、ベンチュリ１００が、前記周囲流体を受け入れて、その周囲流体を、圧縮性流体という領域（compressible fluid regime）において高速域の亜音速の流体速度（high subsonic fluid velocity、音速より遅い流体速度のうちの高速域）まで（例えば、マッハ０．３とマッハ１．０との間）加速し、その目的は、前記エンジン排気ガスに、強い(large magnitude)(例えば、局所的大気圧（local atmospheric pressure、局所的に存在する大気圧、所々に存在する大気圧）から１psig（重量ポンド毎平方インチ ゲージ）を引いた圧力より低い）負圧（suction pressure、吸込圧）を発生させることにある。さらに、ベンチュリ１００は、燃焼エンジン排気ガスの流速（flow rate）、密度、温度および／または圧力が変化する広い範囲に亘るとともに、他のものを包囲している周囲流体の速度（例えば、時速約２５マイルより速い速度）、圧力（例えば、海面に相当する圧力から、６０，０００フィートの高度に相当する圧力までの範囲）および温度（例えば、華氏−１００度から、華氏２００度より高い温度までの範囲）が変化する広い範囲に亘って、前記エンジン排気ガス上に、前記高速度と、前記強い負圧（large magnitude suction）とを達成して維持することが可能である。

さらに、大部分のエンジンおよび／または動力発生装置（power plant、パワー・プラント、発電機）は、要求されるパワーの範囲、また、いくつかの実施態様においては、要求される車両速度が変化する範囲に亘って作動するため、このようなベンチュリ１００の設計における具体的な課題（a particular challenge）は、そのベンチュリ１００が、エンジン排気ガスの質量流量(mass flow rate)および流入側の周囲流体(input ambient fluid、ベンチュリ１００の周囲にある流体およびそのベンチュリ１００に取り込まれた周囲流体)の質量流量がそれぞれ変化する広い範囲に亘り、作動すること（すなわち、ベンチュリ１００が「スロットラブル（throttleable）」であること）を確保することである。さらに、ベンチュリ１００は、比較的小さなインレット・スクープ断面積（inlet scoop cross-sectional area、空気取入口の断面積）を有し、そのインレット・スクープ断面積は、車両１０２に対するドラッグ・ロス（drag losses、空気抵抗によるエネルギー損失）であって燃費改善に逆行するものを最小化する。その結果、ベンチュリ１００は、周囲流体の質量流量の、エンジン排気ガスの質量流量に対する比率が比較的低い範囲（例えば、約１：１から、１０：１より小さい値までの範囲）に亘って作動する。前記周囲流体の質量流量が少ないと、流入側の周囲流体流(input ambient fluid stream、ベンチュリ１００の周囲にある流体およびそのベンチュリ１００に取り込まれた周囲流体)が、前記エンジン排気ガスの質量流量の変化を特に受け易くなってしまう。このことにより、ベンチュリ１００が「スロットラブル」であることを達成することが困難となる。

ベンチュリ１００は、エンジン排気ガスの質量流量が変化する広範囲に亘り、エンジン排気ガスの位置において強い負圧（strong suction）を作用させることにより、関連する燃焼エンジン（図示しない）についての熱効率を大きく改善する。観察された熱効率の改善率と同じものは、ベンチュリ１００以外のデバイスであって、エンジン排気ガスに強い負圧を発生させるもの（例えば、図２を参照）を用いることによって取得することも可能である。そのようなデバイスは、メカニカル・ピストン・ポンプ（mechanical piston pumps）、メカニカル・タービン・ポンプ(mechanical turbine pumps)およびメカニカル・ルーツ・ポンプ(mechanical roots pumps)を含むが、それらに限定されない。さらに、熱効率の改善により、エンジンのラジエータ（図示しない）の小形化が可能となり、または、いくつかの実施態様においては、そのラジエータを完全に省略することが可能である。このことにより、車両１０２の全体的な重量および構造上の複雑さ（complexity）を軽減することが可能である。さらに、前記ラジエータの小形化または省略により、車両１０２の空気力学的プロファイル（aerodynamic profile）が改善されるとともに空力抵抗（aerodynamic drag)が軽減され、それらにより、燃費をさらに改善する（yield additional gains in fuel economy）ことが可能となる。

一実施態様においては、ベンチュリ１００が、燃焼エンジンから出力される排気圧を低下させ、その結果、当該燃焼エンジンの燃料効率を劇的に増加させることが可能である。例えば、ベンチュリ１００は、発生した排気ガスを、排気管、触媒コンバータおよび／またはマフラに発生する流体損失および流体抵抗に逆らって押し出すのに必要な当該エンジンのパワーを低減させることが可能となる。別の例においては、ベンチュリ１００が、燃焼エンジン内の平均シリンダ圧を低下させることが可能であり、その低下により、シリンダ燃焼ガスの境界層を横切って燃焼エンジン・ブロック内へと移動する熱損失が軽減される。この熱損失は、一般的には、ベンチュリ１００を搭載しない従来の燃料／空気型燃焼エンジンの熱損失のうちの重大な原因（significant source）である。さらに別の例においては、ベンチュリ１００が、排気ガスの出口に対する相対的な圧力比を増加させ、そのうえで、別の動力発生コンポーネント（power generation components、発電コンポーネント）（例えば、タービンやターボ機械）の、排気ガスの出口内への挿入が可能となり、それら動力発生コンポーネントは、それらのガスのうちの別の部分も、利用可能な機械的仕事に変換するために、上述の増加させられた圧力比を使用する。

今回開示されている技術は、特に、燃焼工程から生成された高温の排気ガスを用いて、熱エネルギーを、利用可能な仕事に変換する際の改善策を扱っている。しかしながら、今回開示されている技術は、他の動力サイクルに適用することも可能であり、そのような他の動力サイクルは、高い圧力および／または低い作動流体密度（low working fluid densities）を発生させるために、燃焼を行わない作動流体であって圧縮されたもの(pressurized working fluid、加圧作動流体)を用いる。

後述の解析結果を見れば、車両の排気部にベンチュリ１００を搭載することによる動力システムの熱損失量の減少が、どのようにして、車両のエンジンの燃料効率を向上させる機会を提供するのかがより具体的に分かる。ガス充填型ピストン・エンジン（gas-filled piston engine）については、差分仕事（differential work、仕事変化量、変分仕事）δw_{out, piston}であって、シリンダの差分体積変化量（differential volume change）から取り出されるものを次のように記述することが可能である。

図示の式（１）を参照されたい。

ただし、R_g は、ピストンと相互に作用するガスについてのガス定数（gas constant）であり、T_g は、前記ガスの温度であり、v_g は、前記ガスの比体積（pecific volume）であり、dv_gは、ピストン・シリンダ容積の差分比体積変化量（differential specific volume change）である。

理想ガスから作動するタービンについては、差分仕事δw_{out, piston} であって、差分圧力変化量（differential pressure change）dp_gから取り出され、かつ、タービンのロータ／ステータを横切るものを次のように記述することが可能である。

図示の式（２）を参照されたい。

ただし、η_polytropic は、前記タービンのポリトロープ効率 (polytropic efficiency)であり、T_g,t は、前記ガスのよどみ点温度（stagnation temperature）であり、p_gは、前記ガスの圧力であり、他の変数は、既に定義されている。

式（１）および（２）から分かるように、ガスから機械的動力（mechanical power）を取り出すある与えられた動力システム（power system、動力取出しシステム）については、当該動力システムから誘導される比仕事（specific work）が、当該動力システム内の作動流体として用いられているガスの温度が上昇するにつれて、単調に増加する。したがって、当該動力システム内のガス温度をより高温に維持するために熱損失量を最小化すると、当該動力システムの仕事出力が単調に増加する。

動力システムを通過して移動するガスからの熱損失を防ぐために、そのガスから外部環境への熱の流れに対する熱抵抗が増加させられる。動力システムにおいてガスからの熱の流れに対する熱抵抗を増加させるある方法は、高温でありかつ固体である断熱材を使用するということである。別の方法は、ガスは、固体材料と比べると、高い断熱効果（highly insulating）を有していることから、動力システムのガス自身の本来の断熱特性を強化することである。ガス境界層の熱伝達率（heat transfer coefficient）は、その境界層を横切る熱の流れについての熱抵抗値の逆数である。したがって、熱伝達率が高いほど、前記ガス境界層の熱抵抗値が低くなる。ピストン・エンジンについては、ピストン・エンジン内の燃焼ガス境界層の熱伝達率の推定値が次のように成立する。

図示の式（３）を参照されたい。

ただし、h_conv,i(t)は、ガス境界層の対流熱伝達率の瞬間値であり、V(t)は、時間と共に変化する、シリンダ内の容積の瞬間値であり、p_g(t)は、シリンダ内のガス圧の瞬間値であり、T_g(t)は、シリンダ内のガス温度の瞬間値であり、rpmは、正弦波型のピストン・サイクル(sinusoidal piston cycle)の１分間当たりの平均回転数であり、Lは、シリンダのストロークである。

式（３）から分かるように、前記熱伝導率は、シリンダ圧に対してほぼ直線的に(linearly、比例的に、線型的に）増加する。したがって、ピストン・エンジンの熱損失量を低減するための一つのメカニズムは、同じ量の仕事を発生させるために必要な平均シリンダ圧を低下させることである。燃費の改善は、より少量の作動流体を用いてより多くの仕事を出力することと等価であるため、熱損失量が低減するにつれて、同じ量の正味仕事量（net work）を出力するために必要な平均作動流体密度が減少し、これにより、熱損失量がさらに低減する。平均作動流体密度が低いほど、同じ量の仕事を出力するためにシリンダ内に噴射することが必要な燃料／空気の混合物が少なくて済む。エンジン排気圧の低下により、燃焼ガス境界層における熱損失に対する断熱効果を達成することが可能であり、このことは、最終的にエンジン燃費の改善につながる。

さらに、排気圧の低下により、シリンダが、動力行程（power stroke、パワー・ストローク、動力取出し行程）の終了後に、より完全に排気を行うことが可能となる。例えば、いくつかの望ましいピストン・エンジンにおいては、先行する動力行程から残存する残余燃焼ガスであって吸入行程（intake stroke）内に持ち越される（carry over）ものが、吸入容積のうちの１５容積％より多い分を占めてしまうかもしれない。同じ大きさのパワー出力（power output）を得るために、それら残余ガスは、より多い推進剤装填量（propellant charge、プロペラント・チャージ、推進剤投入量）（例えば、燃料および空気）を、喪失したシリンダ容積（lost cylinder volume）を補充するために吸い込むことが必要であるかもしれない。この推進剤装填量の増加により、上死点（top-dead-center）の近傍位置において、より高いピーク・シリンダ圧が生成される。上死点の近傍位置は、同じエンジンのストローク内の他の位置と比べてシリンダ圧が非常に高いことが原因で、多くのエンジンの熱損失量が発生する位置である。したがって、排気ガスに負圧を作用させることと、それら残余ガスを排気することとにより、より低い平均シリンダ圧を、同じ馬力を発生させるために用いることが可能であり、その結果、エンジン・ブロックからの熱損失量が低減される。排気システム（例えば、ベンチュリ１００を経由して）において比較的強い負圧を達成するための種々のシステムおよび方法が後に詳述される。

図２は、バキューム圧(vacuum pressure、負圧）を、制御可能な状態で、燃焼エンジン排気ガスに提供し、その結果、排気ガスの出力が変化するシステム２００を示すフローチャートである。燃料２６２および酸化剤２６４が、エンジン２６６内において混合され（矢印２６８および２７０で示すように）、エンジン２６６から仕事を発生させるために燃焼される。燃料２６２および酸化剤２６４の燃焼によって発生した燃焼ガスは、矢印２７２で示すように、エンジン２６６から排気される。上述のように、他の形式のエンジンに、今回開示されている技術を用いることも可能である。

バキューム・ポンプ２７４が、負圧（すなわち、負のゲージ圧であって、エンジン２６６から排出される排気ガス圧および／または周囲環境に対する相対的な圧力）を排気ガスに提供し、その目的は、本明細書において説明されている燃費の改善策を提供することにある。バキューム・ポンプ２７４は、排気ガス流に負圧を誘発することが可能なデバイスであれば、その種類の如何を問わない（例えば、ベンチュリ、または、機械駆動式ポンプ(mechanically driven pump）)。燃焼排気ガス２７６が、矢印２７８で示すように、バキューム・ポンプ２７４から排出される。

本明細書において詳述されている「スロットラブル(throttleable）」という特性を達成するために、バキューム・ポンプ２７４は、増加させられるエンジン排気ガス流速(flow rate、質量流量）に対応するために、バキューム・ポンプ２７４の体積流量（volumetric flow rate）を、エンジン２６６から出力される排気ガス質量流量に基づき、ひいては、エンジン２６６から出力される機械的パワーに基づいて増加させることが可能である。排気ガス質量流量は、例えば、質量流量センサを用いて実時間で(in real time、リアルタイムで、その都度、時間的な遅れを伴うことなく）検出され、その検出値は、矢印２８２で示すように、バキューム・ポンプ・コントローラ２８０に供給される。そのバキューム・ポンプ・コントローラ２８０は、バキューム・ポンプ２７４の体積流量を、矢印２８４で示すように、前記検出された排気ガス質量流量に基づいて制御する。一実施態様においては、そのバキューム・ポンプ・コントローラ２８０が、特定の負圧が実現されるように体積流量を変化させるために、機械駆動式ポンプの回転速度を変化させる（例えば、周波数が可変である駆動回路を媒介として）。別の実施態様においては、バキューム・ポンプ・コントローラ２８０が、体積流量を変化させるために、物理的特性（例えば、ベンチュリのスロート・サイズおよび／またはブリード・オフ特徴部（bleed-off features、逃がし部））を変化させる。排気ガス質量流量に基づき、前記ポンプを通過する（through、によって）前記体積流量を変化させることにより、システム２００は、エンジン２６６の出力状態が変化する広範囲に亘って「スロットラブル」となる。他のいくつかの実施態様においては、エンジン回転速度、エンジン・トルク、エンジン・インテーク・マニホールド圧、エンジン排気ガス質量流量、エンジン排気温度およびエンジン排気圧のうちの２つまたはそれ以上のものが、前記ポンプを通過する（through、によって）前記体積流量を変化させるために用いられる。

エンジンについてのいくつかの構成態様および負荷（例えば、エンジン回転数（ｒｐｍ）およびエンジン・シャフト・トルク）においては、最適なエンジン燃費を実現するために、排気ガスにおける負圧を変化させることも必要である可能性がある。そのような構成態様においては、バキューム・ポンプ・コントローラ２８０が、前記ポンプの出力値を変化させるためにエンジン・パワー出力値を検出することが可能であり（例えば、エンジンの回転数およびシャフト・トルクをモニタすることにより）、その目的は、エンジン排気ガスの体積流量の変化に対応することのみならず、具体的な(particular、実際の）エンジン負荷条件について最適な燃費のもとにエンジンが運転されるように前記負圧を「チューニング(tune)」することにもある。

図３は、例示的な３気筒ピストン燃焼エンジンにつき、燃費(fuel economy、燃料経済性)の相対的改善率(relative improvement、本発明実施後の燃費の、本発明実施前の燃費に対する比率)が排気ガスの負圧（ｐｓｉｇ）およびエンジン負荷（すなわち、当該エンジンの出力シャフトに作用するトルク）に応じて変化する様子を示すグラフ３００である。その燃費の相対的改善率は、エンジン回転数を約２７００ｒｐｍに維持するとともに、互いに異なる３種類の定トルク設定値（当該エンジンのドライブシャフトに作用するトルクを制御することにより）を当該エンジンに付与することとにより、測定される。第１のトルク設定値は、２５フィート・ポンドであり、これは、カーブ３８３によって示されている。第２のトルク設定値は、３１フィート・ポンドであり、これは、カーブ３８６によって示されている。第３のトルク設定値は、４３フィート・ポンドであり、これは、カーブ３８８によって示されている。

それら３種類のトルク設定値は、それぞれ、一定に維持され、一方、エンジン排気ガスの負圧は、約０ｐｓｉｇから約−４ｐｓｉｇまで変化する。この具体的なエンジン構成態様における最適な負圧は、約−２ｐｓｉｇである。エンジン負荷、エンジン回転数およびエンジン構成態様のそれぞれが異なると、エンジン燃費の最大相対的改善率を達成するために最適な負圧が変化する可能性がある。

今回開示されている技術についてのいくつかの実施態様においては、作用する負圧が、最大燃費改善率にとって望ましい負圧より低い(exceed、強い）（例えば、−５ｐｓｉｇ）。過剰な負圧のうちの一部を逃がすために、当該排気システム内に別の周囲流体が流入するように、制御されるベントまたは流量制御バルブを当該排気システムに搭載することが可能である。これによれば、エンジン排気ポートの位置に生成される負圧の正確な制御が可能となる。さらに、その負圧は、与えられた一組のエンジン負荷条件値について最大燃費改善率を実現するために最適化することが可能である。さらに、負圧を発生させるデバイスは、目標負圧を生成するために、発生する負圧を変化させることと、排気ガス流速が変化する広範囲に亘って作動することとが可能である（すなわち、前記ベンチュリまたは他の負圧発生デバイスは、スロットラブルである）。

図４は、今回開示されている技術の一実施態様につき、ベンチュリ対空気密度比がマッハ数に応じて変化する様子を示すグラフ４００である。このグラフ４００は、例示的な流体（例えば、周囲流体流）が、マッハ約０．３より遅いマッハ数で、本質的に非圧縮性流体として挙動する（すなわち、流体密度が本質的に流体速度に依存しない）ということを示している。マッハ約０．３より速いマッハ数では、同じ流体は、圧縮性流体として挙動する（すなわち、流体密度が流体速度に依存する）。一実施態様においては、本明細書に開示されているスロットラブル・ベンチュリが、周囲流体流を加速して、圧縮性流体の領域（例えば、マッハ約０．３より速い領域）に移行させる。超音速（すなわち、マッハ１．０より速い）の速度を達成するために、一般に、ベンチュリの上流側の圧力が周囲より高いことが必要である（すなわち、同じ状態（condition、作動状態）を生成するためにポンプが必要となる可能性がある）。その結果、亜音速で圧縮性を有する例示的な周囲流体流であって本明細書に開示されているものが、マッハ０．３以上かつマッハ１．０以下のマッハ数で流れる可能性がある。

図５は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリ５００を示す断面図である。燃焼エンジン（図示しない）によって発生させられる燃焼排気ガスおよび周囲流体が、このベンチュリ５００内を、概して、図５の下側から上側に向かって通過する。このスロットラブル排気ベンチュリ５００は、変形(modified)ベンチュリ管であり、その変形ベンチュリ管は、周囲流体が流れる実通路の断面積であって次第に変化するものを有し、その断面積は、ベンチュリ実スロート(physical throat、当該ベンチュリのうち、実断面積が最小である部分)５２４の位置において最小値を示す。燃焼排気ガス流が存在しない状態で、その周囲流体流が、このベンチュリ５００内を通過する際に加速させられ、実スロート５２４の位置においてピーク速度に到達する。その周囲流体流は、その実スロート５２４の下流側において減速させられる。

このベンチュリ５００は、包囲する周囲流体(surrounding ambient flouid)の流れを受け入れる周囲流体インレット５１４と、排気された燃焼ガス（exhausted combustion gasses、排気後燃焼ガス）を受け入れるエンジン排気インレット５１０とを有する。その排気後燃焼ガスは、このベンチュリ５００内の中央管(central tube or pipe)５１６内を、その排気後燃焼ガスが、エンジン排気アウトレット（例えば、アウトレット５１８）の位置において、前記包囲する周囲流体の流れ内に導入される（introduced into、合流する）まで、流れる。

周囲流体流は、このベンチュリ５００内を、中央管５１６とこのベンチュリ５００の外側ハウジング５２２との間において流れる。ベンチュリ排気スロート５２４（すなわち、実スロート(throat、のど部、狭窄部、絞り部、縮流部））と同じ位置またはその近傍位置において、周囲流体流は、中央管５１６と外側ハウジング５２２との間の断面積が周囲流体流が下流に流れるにつれて減少することが原因で、非常に高い速度(very high velocities)（亜音速かつ圧縮性）まで加速させられる。ベンチュリ・スロート５２４は、中央管５１６と外側ハウジング５２２との間の断面積が最小値を示す位置であって前記排気後燃焼ガスが周囲流体流内に導入されて両者が混合される位置の近傍位置に配置されている。それら周囲流体と排気後燃焼ガスとが混合された混合流は、このベンチュリ５００からベンチュリ排気部５２６において流出する。高速度の周囲流体流と、それとの相互作用を実スロート５２４と同じ位置またはその近傍位置において行う排気後燃焼ガスとを混合させることにより、中央管５１６のうちのエンジン排気アウトレットに負圧が形成され、その負圧は、後に詳述するように、対応する燃焼エンジンの効率を向上させる。この実スロート５２４の位置におけるこのような状態(conditions、作動状態、作動条件、状況）は、その実スロート５２４の下流側における状態が、周囲の状態(ambient conditions、大気の状態、外気の状態）内に流出する流れが周囲圧(ambient pressure、大気圧、外気圧）まで回復することを可能にするのに十分であるように想定される。

このベンチュリ５００は、周囲流体が流れるエリア(area、流路、流路断面積）の狭窄部(constriction)を用いて周囲流体流を加速することを目的として、圧縮性流体についての変形(modified)ベルヌーイの定理を用いる。そのエリア狭窄部(area constriction)により、周囲流体流が強制的に加速させられる。その流体速度が増加するにつれて、周囲流体内の自由流(freestream）の圧力が低下し、これにより、中央管５１６のうちのエンジン排気アウトレット上に負圧が生成される。

周囲流体が、局所的な音速（local speed of sound、局所的に存在する音速、所々に存在する音速）の０．３倍より速い速度（すなわち、０．３以上のマッハ数）まで加速させられるガスである実施態様においては、その周囲流体の密度が、比較的に一定に維持されるというよりむしろ、低下する可能性がある。密度がほぼ一定に維持される流体（例えば、液体または低速度（すなわち、マッハ約０．３より遅い速度）を有するガス）の流れとは異なり、このような流体密度の低下は、前記狭窄部（例えば、ベンチュリ・スロート５２４）を通過する流体の速度の急速な上昇と、より高いレベルでの負圧の形成とが実現される。そのように速度が高速であることにより、他のベンチュリ（例えば、マッハ０．３より遅い非圧縮性流体の速度で作動するベンチュリ、および／または、エンジン排気ガスの質量流量が変化する広範囲に亘って高いマッハ数を維持するベンチュリ）では達成できないかもしれない非常に強いゲージ圧を発生させるメカニズムが実現される。

一実施態様においては、周囲流体がこのベンチュリ５００内において達成する可能性がある最大速度であって、そのベンチュリ５００を周囲ガス媒質（ambiment gas medium、周囲を取り巻くガスよりなる媒質）を通過させることにより（例えば、図１に関して説明されるように、移動する車両にこのベンチュリ５００を装着することにより）、達成する可能性があるものが、局所的な音速（すなわち、１．０に等しいマッハ数）である。このベンチュリ５００内において音速の周囲流体流を生成するために必要な速度より速い車両の速度のもとでは、周囲インレット・ガスを増やしても(any additional ambient inlet gases、ベンチュリ５００内に流入する周囲ガス（大気）の量を増やしても）、ベンチュリ５００内において、音速より速い速度まで加速させられないであろう。その代わりに、周囲インレット・ガスを増やしても、周囲流体インレット５１４から漏れてしまうであろうし、それにより、ベンチュリ５００内において音速より速い速度の発生が効果的に防止される。この現象は、ソニック・チョーク(sonic choking)として知られており、これにより、ベンチュリ５００内における周囲流体流の最大速度が制限される。

インレット・スクープ(inlet scoop、外気の取入れ口）が十分に大きな断面積を有する場合には、ソニック・チョークの開始を、比較的に遅い車両速度（例えば、２５ｍｐｈ）につき、それより速い車両速度のもとでは、流入側の周囲流体(input ambient fluid)の質量流量が、ベンチュリ５００を通過する間、比較的に一定に維持されるように、設計することが可能である。この特徴は、ベンチュリ５００を設計する際のある側面を単純化する能力を潜在的に有する。

いくつかの実施態様においては、種々の特徴部であって固定型（fixed、可動部を有しない）または時可変調節型（dynamically adjustable、動的な調節が可能である、状況の変化に合わせた調節が可能である）であるものをこのベンチュリ５００に追加することが可能であり、その目的は、周囲流体流の速度の調整および／または排気ガス流が最適な負圧に維持されるようにするための負圧の調整にある。例えば、種々のバッフル（baffle、導風板、調節板、仕切り板）または流出ポートを、外側ハウジング５２２と中央管５１６との間に追加することが可能である。さらに、それらバッフルを時可変的に（dynamically、動的に）調節したり、それら流出ポートをベンチュリ５００の作動状態に応じて開状態と閉状態とに時可変的に（dynamically、動的に）切り換えることが可能である。さらに、スロート５２４を、ベンチュリ５００の作動状態に応じて時可変的に（dynamically、動的に）調節することが可能である（例えば、アイリス・バルブ(iris valve、眼球の虹彩に似た開閉動作を行うバルブ）を用いて）。

一実施態様においては、ベンチュリ５００が、軸線(axis、中心線）５４０回りに軸対称性（axisymmetric、回転対称性）を有する。他のいくつかの実施態様においては、ベンチュリ５００を、長円形、正方形、または、軸線５４０回りに非軸対称性を有する断面を有する他の形状を有するものとすることが可能である。ベンチュリ５００は、さらに、１または複数の渦発生器５４４を搭載することが可能であり、その渦発生器は、周囲流体流に局所的な角運動量(angular momentum、回転運動)を付与し、それにより、排気後燃焼ガスの影響によって周囲流体流の複数本の流線の軌道が変化してしまうことをより困難にする。

一実施態様においては、１または複数の渦発生器（例えば、渦発生器５４４）が、外側ハウジング５２２の内側(inside)であって、周囲流体流、燃焼ガス流および／または混合流体流の内部(within)の位置に装着されている。それら渦発生器は、複数枚の小形のベーン(vane、羽根）であり、それらベーンは、少なくとも周囲流体流、燃焼ガス流および／または混合流体流であってベンチュリ５００内を通過するものの内部に渦状運動を生起する方法で、前記複数本の流線の方向に対して位置合わせされていない(misaligned、非平行状態にある、傾いている)ように配列されている。それら渦発生器については、後に詳述する。

一実施態様においては、それら渦発生器が、複数のタブ対(pair of tabs、羽根状の突起物)であり、それらタブ対は、外側ハウジング５２２から周囲流体流内に０．５インチより短い長さだけ突出しているとともに、１インチより短い長さだけ長さ方向に延びている。各渦発生器対ごとに、各タブは、それの相手側（partner、同じ渦発生器対に属する別のタブ）に対して相対的に「トー・イン（toed-in、非平行）」状態にあり、それにより、各対（タブ対）は、チャネル・インレット・エリア(area、流路断面積）（入口断面積）を生成し、そのチャネル・インレット・エリアは、それのアウトレット・エリア(area、流路断面積）（出口断面積）より小さいかまたは大きい。多くの実施態様においては、搭載された各渦発生器対が、交互に配置され(is alternated、互いに違いに配置され)、それにより、ある渦発生器対は、アウトレット・エリア（出口断面積）より大きいインレット・エリア（入口断面積）を有する一方、それに隣接する渦発生器対は、それとは逆のパターンを有する（すなわち、アウトレット・エリア（出口断面積）より小さいインレット・エリア（入口断面積）を有する）。各渦発生器対ごとの、周囲流体流に対する「トーイン角度」は、一般に、２０度より小さい。搭載された複数のタブについての別の配列パターンを、同様な渦効果を発生させるために用いてもよい。

図６は、図２に示す例示的なスロットラブル排気ベンチュリ２００のうちの中央管５１６，６１６を詳細に示す図である。燃焼エンジン（図示しない）によって発生させられる燃焼排気ガスは、中央管６１６内を、概して、図６の下側から上側に向かって通過する。図６に示す断面図は、中央管６１６を通過してそこから流出する排気後燃焼ガスの流体通路を示している。より具体的には、燃焼排気ガスが、中央管６１６を通過して流れるとともに（矢印６０４で示すように）、その中央管６１６から、エンジン排気アウトレット６１８，６２０において、包囲する周囲流体の流れ（図示しない）内に流出する（矢印６３２で示すように）。

一実施態様においては、中央管６１６が、軸線(axis、中心線）６４０回りに軸対称性（axisymmetric、回転対称性）を有する。他のいくつかの実施態様においては、中央管６１６を、長円形、正方形、または、軸線６４０回りに非軸対称性を有する断面を有する他の形状を有するものとすることが可能である。さらに、図６には、２つのエンジン排気アウトレット６１８，６２０が示されているが、別のエンジン排気アウトレットを中央管６１６上に搭載してもよい。一実施態様においては、２またはそれより多数のエンジン排気アウトレットが、軸線６４０回りに軸対称性を有するように配列される。

図７は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリ７００であって低排気出力状態で作動するものを、対応する複数本の流線(fluid flow streamline)（例えば、流線７２８）と共に示す断面図である。それら流線は、周囲流体および燃焼排気ガスがベンチュリ７００内を進行する際のそれら周囲流体および燃焼排気ガスのバルク流体運動(bulk fluid motion)を近似的に示している。周囲流体流は、ベンチュリ７００に、周囲流体インレット７１４から流入する。燃焼排気ガスを有する中央管７１６とベンチュリ７００の外側ハウジング７２２との間の隙間であって周囲流体インレット７１４の位置において存在するものは、本明細書においては、インレット・ギャップ７３０と称される。ベンチュリ７００内を流れる周囲流体流の速度は、概して、中央管７１６と外側ハウジング７２２との間の断面積が、概して図７の下側から上側に向かって減少するにつれて増加する。

燃焼排気ガスは、排気アウトレット（例えば、アウトレット７１８）の位置において周囲流体と合流するまで、中央管７１６内を進行する。いくつかの矢印（例えば、矢印７３２）が、中央管７１６から流出する燃焼排気ガスを示している。ベンチュリ実スロート７２４（すなわち、周囲流体流の断面積が最小値となる位置）と同じ位置またはその近傍位置において、周囲流体流の高速度（例えば、マッハ約０．３より速い）への加速と、燃焼排気ガスのその周囲流体流との合流とが行われる。

周囲流体流に合流される燃焼排気ガスの運動量(momentum、運動エネルギー）により、その周囲流体流の「ピンチ(pinch、縮流化、狭窄化)」が行われる。これにより、周囲ガスの流線の断面積が、実スロート７２４と同じ位置またはそれの近傍位置において変化し、それにより、より小さい流路断面積(area）を有する有効スロート７２８が形成される。その有効スロート７２８の実際の位置およびサイズは、実スロート７２４と、周囲流体流の質量流量と、排気ガス流の質量流量と、排気ガス流れが周囲流体流に合流する位置および角度とに依存する。低排気出力(lower exhaust outputs、排気されるガスの流量が少ない）状態においては、図７に示すように、周囲流体流の有効スロート７２８が、比較的大きい流路断面積(area）を有するとともに、外側ハウジング７２２から、エンジン排気アウトレットに近い位置まで延びている。

実スロート７２４の下流側において、周囲流体流および燃焼排気ガスが、混合領域７３４の位置において互いに混合される。包囲する周囲流体と排気後燃焼生成物との混合流は、スロットラブル膨張ノズル７３６内を通過し、ベンチュリ排気部７２６から流出する。さらに、前記混合流体流は、ベンチュリ７００内において下流側に放出される際に、膨張ノズル７３６の内壁から剥離されることになる。前記混合流体流がスロットラブル膨張ノズル７３６の内壁から剥離される位置に存在する断面７３８は、前記混合流体流の圧力がベンチュリ７００を包囲する外側大気圧に等しくなる位置に存在する。低排気出力状態においては、図７に示すように、断面７３８が膨張ノズル７３６の出口(exit)に比較的に近い位置にある。実スロート７２４の下流側における急激な圧力低下により、中央管７１６の排気アウトレットに負圧が形成され、その負圧により、前述のように、対応する燃焼エンジン（図示しない）の燃費が向上する可能性がある。

一実施態様においては、ベンチュリ７００が、軸線(axis、中心線）７４０回りに軸対称性（axisymmetric、回転対称性）を有する。他のいくつかの実施態様においては、ベンチュリ７００を、長円形、正方形、または、軸線７４０回りに非軸対称性を有する断面を有する他の形状を有するものとすることが可能である。

図８は、図７に示す例示的なスロットラブル排気ベンチュリ７００のうちの中央管７１６，８１６を詳細に示す図である。図７に関連して上述したように、燃焼排気ガスは、排気アウトレット（例えば、アウトレット８１８）の位置において周囲流体と合流するまで、中央管７１６内を進行する。いくつかの矢印（例えば、矢印８３２）が、中央管８１６から流出する燃焼排気ガスを示している。ベンチュリ実スロート８２４と同じ位置またはその近傍位置において、周囲流体流の高速度(high velocities)（例えば、亜音速圧縮性流体の流速）への加速と、燃焼排気ガスのその周囲流体流との合流とが行われる。

周囲流体流に合流される燃焼排気ガスの運動量(momentum、運動エネルギー）により、その周囲流体流の「ピンチ(pinch、縮流化、狭窄化)」が行われる。これにより、周囲ガスの流線（例えば、流線８４６）の断面積が、実スロート８２４と同じ位置またはそれの近傍位置において変化し、それにより、より小さい流路断面積(area）を有するとともに、おそらく、実スロート８２４からずれた位置に位置する(shifted)有効スロート８２８が形成される。低排気出力状態においては、図８に示すように、周囲流体流の有効スロート８２８が、比較的大きい流路断面積(area）を有するとともに、外側ハウジング８２２から、エンジン排気アウトレットに近い位置まで延びている。周囲流体の流線８４６は、燃焼排気ガス境界層８３２の影響を、図１０に示す周囲流体の流線１０４６より少ない量でしか受けない。

ベンチュリの全体的な形状は、実スロート８２４と同じ位置またはそれの近傍位置において、周囲流体の複数本の流線によって占有される断面積が、排気ポート（exhaust ports、排気アウトレット）をカバーする設定距離区間に亘ってほぼ一定となるように、設計される。その結果、周囲流体流は、エンジン排気ポート（exhaust ports、排気アウトレット）をカバーする区間に亘って高速度(high velocity、マッハ約０．３と約１．０との間）を達成するとともに維持する。そのすぐ下流側においては、中央管８１６から排出された燃焼排気ガスであって排気ポート（exhaust ports、排気アウトレット）から流出したものが、（混合領域８３４において）周囲流体流に、燃焼排気ガスの出力状態(gas output conditions、排気されるガスの流量）が変化する範囲（および、燃焼排気ガスの出力状態に応じて周囲ガスの複数本の流線が変化する範囲）に亘って混合される。周囲流体の流線のプロファイルと、それら流線についての亜音速で圧縮性を有する流体の高い速度とが、互いに共同して、排気アウトレットにおいて強い負圧を発生させる。

図９は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリ９００であって高排気出力状態において作動するものを、対応する複数本の流線（例えば、流線９２８）と共に示す断面図である。それら流線は、周囲流体および燃焼排気ガスがベンチュリ９００内を進行する際のそれら周囲流体および燃焼排気ガスのバルク流体運動(bulk fluid motion)を近似的に示している。周囲流体流は、ベンチュリ９００に、周囲流体インレット９１４から流入する。燃焼排気ガスを有する中央管９１６とベンチュリ９００の外側ハウジング９２２との間の隙間であって周囲流体インレット９１４の位置において存在するものは、本明細書においては、インレット・ギャップ９３０と称される。ベンチュリ９００内を流れる周囲流体流の速度は、概して、中央管９１６と外側ハウジング９２２との間の断面積が、概して、図９の下側から上側に向かって減少するにつれて増加する。

燃焼排気ガスは、排気アウトレット（例えば、アウトレット９１８）の位置において周囲流体と合流するまで、中央管９１６内を進行する。いくつかの矢印（例えば、矢印９３２）が、中央管９１６から流出する燃焼排気ガスを示している。ベンチュリ実スロート９２４と同じ位置またはその近傍位置において、周囲流体流の高速度への加速と、燃焼排気ガスのその周囲流体流との合流とが行われる。

周囲流体流に合流される燃焼排気ガスの運動量(momentum、運動エネルギー）により、その周囲流体流の「ピンチ(pinch、縮流化、狭窄化)」が行われる。これにより、周囲ガスの流線の断面積が、実スロート９２４と同じ位置またはそれの近傍位置において変化し、それにより、より小さい流路断面積(area）を有するとともに、おそらく、実スロート９２４よりわずかにずれた位置に位置する(shifted)有効スロート９２８が形成される。高排気出力状態においては、図９に示すように、中央管９１６のエンジン排気アウトレット９１８から流出する燃焼排気ガスのより高い運動量(momentum、運動エネルギー）により、周囲流体流の有効スロート９２８が、（図７および図８に示す有効スロート７２８および８２８と比較すると）より小さい流路断面積(area）を有するとともに、エンジン排気アウトレットから、わずかに、より遠ざかった位置に位置する可能性を有することが強制される。

有効スロートの断面積がこのように変化することにより、排気ポート（exhaust ports、排気アウトレット）における負の静圧が変化する可能性がある。ほぼ一定の負圧を発生させるスロットラブル(throttelable）・ベンチュリが必要である場合には、基本的な設計目標が、排気ポート（exhaust ports、排気アウトレット）から流出する排気ガスの流れ状態が広範囲に変化してもその広範囲に亘って、有効スロートが、排気ポート（exhaust ports、排気アウトレット）が位置する領域に滞留するように、有効スロートの位置の上述の変化を最小化することとなる。いくつかの実施態様においては、ベンチュリ・スロートの形状が、エンジン排気出力状態の変化に伴う有効スロートの断面積の変化が、個別具体的なエンジンおよびそれの排気ガスの出力状態に適するようにチューニングされるように設計される可能性があり、その設計の目的は、別の能動的なコントローラを必要とすることなく、個別具体的なエンジンの燃費を最適化するように負圧の高さをさらに最適化することにある。

有効スロート９２８のサイズを縮小すると、周囲流体流の質量流量が減少する（すなわち、燃焼排気ガス出力が増加するにつれて、周囲流体流の質量流量が減少する）。排気ベンチュリ９００のインレット・ギャップ９３０（インレット・エリア（入口断面積）に対応する）は、図７および図８（サイズが大きい有効スロート７２８および８２８と、低燃焼排気ガス出力状態）と、図９および図１０（サイズが小さい有効スロート９２８および１０２８と、高燃焼排気ガス出力状態）とにそれぞれ示す例示的な両極端な状態に適合するように設計される。

スロート９２４の下流側において、周囲流体流と燃焼排気ガスとが、混合領域９３４において、互いに混合される。包囲する周囲流体と、排気後燃焼生成物とが混合されて成る混合流は、スロットラブルな膨張ノズル９３６内を流れ、ベンチュリ排気部９２６から流出する。さらに、その混合流体流は、ベンチュリ９００内を下流に向かって放出されるにつれて、膨張ノズル９３６の内壁から剥離されることになる。混合流体流がスロットラブルな膨張ノズル９３６の内壁から剥離される位置の断面９３８は、混合流体流の圧力がベンチュリ９００を包囲する外側大気圧に一致する位置にほぼ等しい。

高排気出力状態においては、図９に示すように、断面９３８が、膨張ノズル９３６の出口(exit)位置から、スロート９２４に近い位置に移動する（図７に示す断面７３８と比較すると）。この効果は、排気ガス流によってベンチュリの周囲流体流(venturi ambient fluid stream、ベンチュリ９００によって取り込まれた流体流）の「ピンチ(pinch、縮流化、狭窄化)」が行われて、流入側の周囲流体(input ambient fluid、ベンチュリの周囲にある流体およびそのベンチュリに取り込まれた周囲流体)の質量流量が減少し、それにより、ベンチュリ９００から流出する全混合質量流量が変化するという事実に基づいている。その断面積(the cross-sectinal area、断面９３８の断面積）は、２つの流体流(the two fluid streams、周囲流体流と燃焼排気ガス流）について考慮すべき質量、運動量およびエネルギーが保存されるということによって定義される。末広がり状の部分（膨張ノズル）９３６により、混合流体流の出口(exit)断面積の「自己補償(self-compenstion)」が部分的に可能となり、これは、スロットラブル・ベンチュリ９００の設計にとって重要な一側面である。スロート９２４の下流側の圧力が急激に低下すると、中央管９１６の排気アウトレット９１８上に負圧が形成され、その負圧により、前述のように、対応する燃焼エンジン（図示しない）の燃費が向上する。

一実施態様においては、ベンチュリ９００が、軸線(axis、中心線）９４０回りに軸対称性（axisymmetric、回転対称性）を有する。他のいくつかの実施態様においては、ベンチュリ９００を、長円形、正方形、または、軸線９４０回りに非軸対称性を有する断面を有する他の形状を有するものとすることが可能である。

図１０は、図９に示す例示的なスロットラブル排気ベンチュリ９００のうちの中央管９１６，１０１６を詳細に示す図である。図９に関連して上述したように、燃焼排気ガスは、排気アウトレット（例えば、アウトレット１０１８）の位置において周囲流体と合流するまで、中央管１０１６内を進行する。いくつかの矢印（例えば、矢印１０３２）が、中央管１０１６から流出する燃焼排気ガスを示している。ベンチュリ実スロート１０２４と同じ位置またはその近傍位置において、周囲流体流の高速度(high velocities)（例えば、亜音速圧縮性流体の流速）への加速と、燃焼排気ガスのその周囲流体流との合流とが行われる。

周囲流体流に合流される燃焼排気ガスの運動量(momentum、運動エネルギー）により、その周囲流体流の「ピンチ(pinch、縮流化、狭窄化)」が行われる。これにより、周囲ガスの流線（例えば、流線１０４６）の断面積が、実スロート１０２４と同じ位置またはそれの近傍位置において変化し、それにより、より小さい流路断面積(area）を有するとともに、おそらく、実スロート８２４からずれた位置に位置する(shifted)有効スロート１０２８が形成される。高排気出力状態においては、図１０に示すように、中央管１０１６のエンジン排気アウトレットから流出する燃焼排気ガスのより高い運動量(momentum、運動エネルギー）により、周囲流体流の有効スロート１０２８が、（図７および図８に示す有効スロート７２８および８２８と比較すると）より小さい流路断面積(area）を有するとともに、エンジン排気アウトレットから、より遠ざかった位置に位置することが強制される。したがって、周囲流体の流線１０４６は、燃焼排気ガス境界層１０３２の影響を、図８に示す周囲流体の流線８４６より多い量で受ける。

ベンチュリの全体的な形状は、実スロート１０２４と同じ位置またはそれの近傍位置において、周囲流体の複数本の流線によって占有される断面積が、排気ポート（exhaust ports、排気アウトレット）の領域に亘ってほぼ一定となるように、設計される。その結果、周囲流体流は、中央管１０１６の排気アウトレットから流出した燃焼排気ガスと（混合領域１０３４において）混合されると、燃焼排気ガスの出力状態(gas output conditions、排気されるガスの流量）が変化する範囲（および、燃焼排気ガスの出力状態に応じて周囲ガスの複数本の流線が変化する範囲）に亘って、高速度を達成するとともに維持する。周囲流体の流線のプロファイルと、それら流線についての高い速度とが、互いに共同して、排気アウトレットにおいて強い負圧を発生させる。

図１１は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリ１１００であって複数の渦発生器（例えば、渦発生器１１４４，１１４６，１１４８，１１５０，１１５２）を搭載したものを示す断面図である。燃焼エンジン（図示しない）によって発生させられる燃焼排気ガスおよび周囲流体が、このベンチュリ１１００内を、概して、図１１における下側から上側に向かって移動する。このベンチュリ１１００は、包囲する周囲流体(surrounding ambient flouid)の流れを受け入れる周囲流体インレット１１１４と、排気された燃焼ガス（exhausted combustion gasses、排気後燃焼ガス）を受け入れるエンジン排気インレット１１１０とを有する。その排気後燃焼ガスは、このベンチュリ１１００内の中央管１１１６内を、その排気後燃焼ガスが、エンジン排気アウトレット（例えば、アウトレット１１１８）の位置において、前記包囲する周囲流体の流れ内に導入される（introduced into、合流する）まで、流れる。

周囲流体流は、このベンチュリ１１００内を、中央管１１１６とこのベンチュリ１１００の外側ハウジング１１２２との間において流れる。ベンチュリ排気スロート１１２４と同じ位置またはその近傍位置において、周囲流体流は、中央管１１１６と外側ハウジング１１２２との間の断面積が周囲流体流が下流に流れるにつれて減少することが原因で、高い速度(high velocities)（例えば、亜音速圧縮性流体の流速）まで加速させられる。ベンチュリ・スロート１１２４は、中央管１１１６と外側ハウジング１１２２との間の断面積が最小値を示す位置であって前記排気後燃焼ガスが周囲流体流内に導入されて両者が混合される位置の近傍位置に配置されている。それら周囲流体と排気後燃焼ガスとが混合された混合流は、このベンチュリ１１００からベンチュリ排気部１１２６において流出する。高い速度(high velocity)の周囲流体流と、それとの相互作用をスロート１１２４と同じ位置またはその近傍位置において行う排気後燃焼ガスとを混合させることにより、中央管１１１６のうちのエンジン排気アウトレットに負圧が形成され、その負圧は、対応する燃焼エンジンの効率を向上させる。

このベンチュリ１１００は、燃焼エンジンのスロットル状態（throttle conditions、スロットル開度）が変化する範囲、ひいては、燃焼排気ガスの質量流量が変化する範囲に亘って作動するように設計することが可能である。このベンチュリ１１００が、燃焼排気ガス質量流量が多い（high、高速）領域を用いて作動している場合には、周囲流体流（周囲流体の質量流量の、排気ガスの質量流量に対する比率が低いことが原因で）が、周囲流体の運動量のうちの大部分（a more significant fraction of、半分以上の部分）を補う(making up、作る)排気ガスの運動量が原因で、流体流に関してエンジン排気ガス流から及ぼされる効果を特に受け易くなる可能性がある。このベンチュリ１１００は、燃焼エンジンについての１つの作動点（one operating point、１つの作動状態）において効果を発揮する可能性があるが、エンジンの出力、ひいては燃焼ガスの質量流量を増加させたり減少させると、ベンチュリの有効スロートの位置が変化し、排気アウトレット上の負圧であって有用なものが低下する可能性がある。そのように燃焼排気ガスの質量流量が多い（high、高速である）領域においては、渦発生器または他のメカニズムにより、周囲流体流が、前記ポート（the ports、排気アウトレット）から流出する排気ガスによっていじられてしまうことを困難にする速度をその周囲流体流に付与することにより、高速の（high、質量質量が多い）燃焼排気ガス流から周囲流体流が受ける、流体に関する効果を最小化する可能性がある。

一実施態様においては、１または複数の渦発生器（例えば、渦発生器１１４４，１１４６）が、外側ハウジング１１２２の内側(inside)であって、周囲流体流、燃焼ガス流および／または混合流体流の内部(within)の位置に装着されている。それら渦発生器は、複数枚の小形のベーン(vane、羽根）であり、それらベーンは、少なくとも周囲流体であってベンチュリ１１００内を通過するものの内部に渦状運動を生起する方法で、前記複数本の流線の方向に対して位置合わせされない(misaligned、非平行状態にある、傾いている)ように配列されている。

それら渦発生器は、周囲流体流に局所的な角運動量(angular momentum、回転運動)を追加し、外部からの圧力または力によって周囲流体流の複数本の流線が容易に変化することも圧縮されることも抑制されるように、その周囲流体流の複数本の流線を効果的に「硬直化させる(stiffen)」。このようにして追加された局所的な角運動量により、スロート１１２４に存在する燃焼排気ガスが及ぼす影響に対する対抗力が増加するとともに、燃焼エンジンが、スロットル状態（ひいては、燃焼排気ガスの質量流量）が変化する広範囲に亘り、排気アウトレット上の負圧を一切変化させないか変化させるとしても少しだけであるように、作動することが可能となる。さらに、それに応じて変化する渦度（すなわち、閉じた複数本の流線を有する流体流のらせん運動の強さ）により、スロート１１２４の下流側においてガス流が混合されることが促進される。

別の実施態様においては、１または複数の渦発生器（例えば、渦発生器１１４８）が、外側ハウジング１１２２の内側(inside)に、周囲流体流の内部に位置するように、スロート１１２４と同じ位置またはその近傍位置に装着されている。さらに別の実施態様においては、１または複数の渦発生器（例えば、渦発生器１１５０，１１５２）が、外側ハウジング１１２２の内側(inside)に、周囲流体流の内部に位置するように、スロート１１２４の下流側に装着されている。

周囲流体の複数本の流線が圧縮されるにつれて、スロート１１２４と同じ位置、その近傍位置、上流側または下流側に配置された渦発生器によって生起される複数の渦の回転速度が、周囲流体流を「硬直化させ（stiffen)」、それにより、その周囲流体流が、燃焼排気ガスの質量流量の変化に対して十分に鈍感となる(insensitive、影響を受け難い）ようにするのに十分な渦度を生成することを増強することが可能である。さらに、その渦度は、周囲流体と燃焼排気ガスとがスロート１１２４の下流側において互いに混合されるガス流混合作用を促進させることが可能である。

図１１に示す複数の渦発生器の配置態様は、互いに異なる５つの渦発生器グループを図示しており、それらは、第１の渦発生器グループ（例えば、渦発生器１１４４）であってスロート１１２４から上流側に十分に離れているものと、第２の渦発生器グループ（例えば、渦発生器１１４６）であってスロート１１２４から上流側に少しだけ離れているものと、第３の渦発生器グループ（例えば、渦発生器１１４８）であってスロート１１２４と同じ位置に配置されているものと、第４の渦発生器グループ（例えば、渦発生器１１５０）であってスロート１１２４から下流側に少しだけ離れているものと、第５の渦発生器グループ（例えば、渦発生器１１５２）であってスロート１１２４から下流側に十分に離れているものとである。

図１１に示す各渦発生器グループは、４つの図示された渦発生器を含むが、図１１に示されていない４つの渦発生器を各渦発生器グループに追加してもよい。さらに、それとは異なる数量の渦発生器を各渦発生器グループ内に採用することが可能である。さらにまた、それぞれのスロットラブル排気ベンチュリの使用例において、より多数の渦発生器グループを用いたり、より少数の渦発生器グループを用いることが可能である。一実施態様においては、ベンチュリ１１００が、軸線(axis、中心線）１１４０回りに軸対称性（axisymmetric、回転対称性）を有する。他のいくつかの実施態様においては、ベンチュリ１１００を、長円形、正方形、または、軸線１１４０回りに非軸対称性を有する断面を有する他の形状を有するものとすることが可能である。

図１２は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリにおいて、排気ガスの負の静圧(exhaust static suction pressure)がベンチュリ・スロート(throat、のど部、狭窄部、絞り部）における周囲流体の流線のマッハ数に応じて変化する様子を示すグラフ１２００である。このグラフ１２００は、周囲流体の流線が達成する最大静負圧であって周囲流体の速度に応じて変化するものを示しており、その最大静負圧は、流線に沿った等エントロピー流についての気体力学関係式から誘導される。

図示の式（４）を参照されたい。

ただし、Ｐ_staticは、周囲流体の流線の静圧であり、Ｍは、周囲流体の流線の速度であってマッハ数として表現したものであり、Ｐ_stagnationは、周囲流体のよどみ点圧力であり、そして、γは、周囲流体の比熱比である。現実には、固体面との流体摩擦、周囲流体からの熱移動、高いマッハ数の周囲流体流と低いマッハ数の燃焼排気ガス流との間の混合および流体せん断(fluid shearing)に起因する内部流体運動量損失などにより、上述の理想的なカーブの特性が損なわれる。燃焼排気ガス流が非ゼロ速度であることが原因で、エンジン排気ガスのよどみ点圧力であって究極的には上流側において経験されるものが、ベンチュリのスロートにおける周囲流体のよどみ点静圧より高い圧力となる可能性がある（例えば、図１３を参照されたい）。

図１３は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリにおいて、燃焼排気ガスのよどみ点負圧が燃焼排気ガスのマッハ数に応じて変化する様子を示すグラフ１３００である。このグラフ１３００は、音速の周囲流体の流線が、燃焼排気ガス出力部(combustion exhaust output、排気アウトレット）においてその燃焼排気ガスと相互作用を行う(interacting、混合する）ことを前提としている。このグラフ１３００は、このエンジン排気システムにおいて低いよどみ点圧力（すなわち、負のゲージ圧で表現されるよどみ点負圧がより強くなるように）達成することを目的として、燃焼排気アウトレットのガス速度を遅くする（すなわち、小さいマッハ数）であるように設計するための目標を示している。

図１４は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリのベンチュリ・スロートにおいて、周囲流体の複数本の流線が音速を取得する作動領域を示すグラフ１４００である。その作動領域は、境界線１４５４より上方に位置するとともに、ベンチュリ・インレット断面積の、有効スロート断面積に対する比率と、インレット空気速度（１時間当たりのマイルを単位とする車両速度によって表現される）とに応じて変化する。境界線１４５４より上方に維持されることにより、周囲流体の流線が音速をこの例示的なスロットラブル排気ベンチュリ内において達成することが確保される。ベンチュリ・スロートの速度であって音速より遅いものが、要求される負圧を発生させるのに十分である場合には、別の設計構造が、上述の比率を正確に満足しない可能性がある。

現実には、有効スロート・ギャップ(effective throat gap、有効スロート断面積）の変動が、燃焼後排気ガス出力を変化させること（例えば、図１０に示す有効スロート１０２８との比較において、図８に示す有効スロート８２８を参照されたい）を原因として発生する。周囲流体の速度が高いこと(high velocity)が、排気出力状態の変化範囲全域に亘って達成されることを確保するために、最大の有効スロート・ギャップ(maximum effective throat gap、最大の有効スロート断面積）を、取り込まれた(ingested)周囲流体インレット断面積（例えば、図７に示すインレット・ギャップ７３０を参照されたい）のサイズを決定する(sizing)際に用いるべきである。実際、上述の作動境界域（operating boundary、作動領域）よりわずかに低い速度を、ベンチュリ内において高速度(high velocity)を達成するために用いることが可能であるが、音速状態と、音速に近い速度という状態に関連して得られる強い負圧という効果とが急速に喪失される。

図１５は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリにおいて、ベンチュリ・インレット断面積対ベンチュリ・スロート断面積の比率が負圧とマッハ数とに及ぼす影響を示すグラフ１５００である。このグラフ１５００は、周囲流体流線のマッハ数およびそれに対応する静負圧の感度（sensitivity、敏感さ）であって、ベンチュリ・スロート領域内におけるベンチュリ流路断面積が最小流路断面積に対して狭い範囲で変動する場合のその変動に対する感度を示している。スロート・ギャップ断面積(throat gap area、有効スロート断面積）に潜在する比較的大きな変動であって、周囲流体の流線の静負圧の大きな低下に対する燃焼排気ガス出力の変動に応じて発生するものにより、排気ガスの出力状態が変化する広範囲に亘って作動する（すなわち、「スロットラブル」である）排気ベンチュリを設計する際の主要な拘束条件が形成される。排気ガス・ポート（port(s)、アウトレット）に近接するように配置されるこの種のベンチュリの設計によれば、排気ガス・ポート（port(s)、アウトレット）を包囲する複数本の流線が、排気ガス・ポート（port、アウトレット）の境界層の状態が変化する広範囲に亘って、すべて高い速度(high velocity)（例えば、亜音速圧縮性流体の流速）であることが保証される。

この種のスロットラブル排気ベンチュリをベンチュリ・スロートの下流側について設計する際には、流体混合という問題が扱われる。燃焼排気ガスが、周囲流体のマッハ数に比べて比較的に小さいマッハ数で、ベンチュリ・スロートの近傍位置において移動し、その目的は、燃焼排気ガスにおいて強いよどみ点負圧を達成することにあるが、このことが理由となって、周囲流体流および燃焼排気ガス流が混合される。より具体的には、それら２つの流体流が大気圧に回復してこのスロットラブル排気ベンチュリから流出して局所的な大気圧状態内に入るために、混合が、ベンチュリ・スロートの下流側にある領域において発生する。

例示として、式（５）は、スロート位置における燃焼排気ガスのマッハ数であって、排気アウトレット位置における周囲よどみ点圧力(ambient stagnation pressure、周囲流体のよどみ点圧力)を発生させることをも目的とするものを示している。式（５）は、周囲流体流との混合を想定しておらず、また、スロート位置における静圧は、スロート内において音速で移動する周囲流体の静圧と等価であることを想定している。

図示の式（５）を参照されたい。

ただし、γ_airは、周囲流体の比熱比であり、γ_engineは、燃焼排気ガスの比熱比であり、Ｍ_air,2は、流入側の周囲流体流の、ベンチュリ・スロート位置におけるマッハ数であり、そして、Ｍ_engine,2は、ベンチュリ・スロート位置における燃焼排気ガスのマッハ数である。標準空気温度のもとでは、周囲流体の比熱比γ_airは、約１．４であり、また、例示的な燃焼排気ガス温度のもとでは、燃焼排気ガスの比熱比γ_engineは、約１．２９であり、また、ベンチュリ・スロート位置における音速空気流については、ベンチュリ・スロート内に流入する燃焼排気ガスのマッハ数は、音速より速い可能性があり（Ｍ_engine,2＞１）、これは、それらガスが大気圧のもとに排出されることを保証するためである。この非混合状態にある(unmixed、混合前の）２つの流体流である結果として、燃焼排気ガスのよどみ点圧力が、ベンチュリ内の周囲流体の圧力(ambient pressure、周囲圧)より高くなり、このことにより、ベンチュリが効果的に作動しない。

このことにより、意図した目的とは反対の効果が発生し、それにより、排気ガス上に背圧が発生してしまう。流体流が混合されていないベンチュリにおいては、排気ガスの圧力が大気圧に回復するために、前記よどみ点圧力が大気圧以上であることが必要である。ベンチュリの排気ポート(exhaust ports、排気アウトレット）の上流側においては、排気ガスのよどみ点圧力が、当該排気システム内の摩擦損失が原因で、一層より上昇するであろう。混合前の複数の流体流にとっての他の対極的な状況においては、ベンチュリ・スロートの下流側においてそれら流体流が完全に混合され、ここでは、それら２つの流体流が有する運動量、質量流量およびエネルギーが合体して１つの流れになる。

相互作用を行う(interacting、混合される）２つの流体流にとっての気体力学は、３つの基礎的な保存則に従い、それらは、質量保存と、エネルギー保存と、運動量保存とである。次の例は、１次元気体力学モデルであって妥当であるが単純化のためのいくつかの仮定を伴うもの（例えば、１次元流体流である点と、外界に対する熱損失を無視する点）から誘導された例である。それら保存則は、流体流内におけるいずれの断面位置にも適用される。

３つの代表的な断面が図５に示されている。例えば、領域１は、フィールド位置５５６における周囲流体流の断面積に対応している。領域２は、フィールド位置５５８に対応しており、周囲流体流と燃焼排気ガスとの双方についてのそれぞれの有効断面積を扱っている。領域３は、フィールド位置５６０、または、出口(exit)ノズル内の複数の位置のうちの、周囲流体流と燃焼排気ガス流との混合流が局所的な大気圧を有するとともに、そのノズルの壁面から剥離する傾向を有する位置に対応する。非混合状態との比較において完全混合状態の影響を理解するために、領域２および領域３におけるそれら流体流を詳細に議論する。

連続性（質量保存）は、次のように成立する。

図示の式（６）−（１０）を参照されたい。

ただし、ｍ_totの上部に「・」が付されたものは、周囲流体と燃焼排気ガスとが混合された混合流体全体についての質量流量であり、ｍ_engineの上部に「・」が付されたものは、燃焼排気ガスの質量流量であり、ｍ_airの上部に「・」が付されたものは、周囲流体の質量流量であり、γ_airは、周囲流体の比熱比であり、γ_engineは、燃焼排気ガスの比熱比であり、γ_mixは、前記混合流体の比熱比であり、Ｐ_atmは、大気圧であり、Ｐ_venturiは、ベンチュリ・スロート領域における流体流の静圧であり、Ｍ_air,2は、ベンチュリ・スロート位置（ほぼ領域２と同じ位置）における周囲流体のマッハ数であり、Ｍ_engine,2は、ベンチュリ・スロート（ほぼ領域２と同じ位置）に流入する燃焼排気ガスのマッハ数であり、Ｍ_air,3は、領域３における混合ガス(mixed gases、混合気体）であってベンチュリから流出するもののマッハ数であり、Ａ_air,2は、スロート位置（ほぼ領域２と同じ位置）における周囲流体の流線の断面積であり、Ａ_engine,2は、ベンチュリ・スロート（ほぼ領域２と同じ位置）に流入する燃焼排気ガスの断面積であり、Ａ_mix,3は、ベンチュリから大気（ほぼ領域３と同じ位置）に流出する混合流体の流線の断面積であり、Ｒ_air，Ｒ_engineはそれぞれ、領域２に近接する位置に存在する周囲流体および燃焼排気ガスのそれぞれの気体定数であり、Ｔ_air，Ｔ_engineはそれぞれ、領域２に近接する位置に存在する周囲流体および燃焼排気ガスのそれぞれのよどみ点温度である。Ｔ_mixは、領域３に近接する位置に存在する混合流体のよどみ点温度である。

エネルギーの保存は、次のように成立する。

図示の式（１１）を参照されたい。

ただし、ｃ_p,airは、周囲流体の比熱であり、ｃ_p,engineが、燃焼排気ガスの比熱であり、ｃ_p,mixは、前記混合流体の比熱であり、Ｔ_refは、任意の基準状態温度であって、すべての流体流にとって一定であるものである。Ｑ_lossの上部に「・」が付されたものは、上述のいくつかの流体から外界への熱損失の速度である。他のすべての変数は、既に定義されている。

式（１２）における混合物の温度Ｔ_mixの解を、熱損失を無視できるいくつかの事例について求めるために厳密な熱力学的解析を用いることが可能であるが、気体力学が適用されるこの具体的な事例については、温度が変化する比較的小さい狭い範囲の全域に亘ってｃ_p,mixとｃ_p,airとｃ_p,engineとがいずれもある定数にほぼ等しいと仮定すれば、式（１２）からＴ_mixを推定するための妥当な近似値を導出することが可能である。

図示の式（１２）を参照されたい。

運動量の保存は、排気出口(exhaust outlet、ベンチュリ出口）に位置する領域３において、混合がノズル全体において一様にかつ完全に行われると仮定すると、次のように成立する。

図示の式（１３）を参照されたい。

ただし、０より大きく１より小さいηは、上述の複数の流体流とこのスロットラブル排気ベンチュリの種々の固体表面との間における摩擦およびドラッグ(drag）相互作用などの種々の損失メカニズムに起因してこのスロットラブル排気ベンチュリ内に発生する気体運動量損失量の分率(fraction)である。他のすべての変数は、既に定義されている。

式（７）−（１０）と式（１３）とを組み合わせると、２つの流体流をベンチュリのスロートの下流側において１つの混合ガス流に混合するための主たる方程式(governing equation)が次のように誘導される。

図示の式（１４）を参照されたい。

ただし、それら変数のすべては、既に定義されている。Ｔ_mixの解を、式（１１）または（１２）を用いて求めることが可能である。

非混合流に関連する式（５）とは異なり、ベンチュリのスロートの下流側において一様に混合された複数の流体流に関連する式（１５）により、広範囲に亘る複数の解が得られ、それら解は、大気出口(atmospheric outlet)圧力条件を成立させることと、このベンチュリ内において強い負圧を発生させることとの双方を満たしており、このベンチュリ内において強い負圧を発生させることは、同時に、燃焼排気ガスについての高いマッハ数のみならず低いマッハ数をも許容することにより、行われる（例えば、ベンチュリのスロート位置における周囲流体についての高い複数のマッハ数を、音速に至るまでの範囲で示す図１２を参照されたい）。このベンチュリは、燃焼排気ガスについての低いマッハ数と高いマッハ数との双方のもとで作動(operation)することにより、エンジン排気ポート（port、アウトレット）に強い負圧（low suction pressure）を安定的に発生させることが可能である。

図１６は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリにおいて、周囲流体と燃焼排気ガスとが一様に混合されて成る一様混合流体流についてのいくつかの特性が、周囲流体対燃焼排気ガスの質量流量比(mass ratio)に応じて変化する様子を示すグラフ１６００である。後に詳述するように、図１６は、流体の特性の変化を、周囲流体対燃焼排気ガスの混合比に関して説明することが重要であることを、特に、混合流体の温度に関して示している。

図１７は、例示的なスロットラブル排気ベンチュリにおいて、完全な非混合状態にある複数の流体流であって前記ベンチュリのスロート内を流れるものと、完全な混合状態にある完全混合流体流であって前記ベンチュリのスロート内を流れるものとにつき、燃焼排気ガスのマッハ数が周囲流体対燃焼排気ガスの質量流量比(mass ratio)に応じて変化する様子を示すグラフ１７００である。完全混合流体流についての複数の解は、このベンチュリ全体についての熱損失を無視し、かつ、混合流体の運動量の損失が１０％であることを前提としており、その運動量の損失は、例えば、複数の流体流とこのベンチュリの内壁との間におけるドラッグ(drag）に起因する。完全混合流体流についての複数の解は、混合排気ガス(mixed exhaust gas、排気ガスと周囲流体とが混合されたもの）の出口(exit、ベンチュリ出口)位置におけるマッハ数ごとの複数の曲線から成る１つのファミリーとしてプロットされており、その出口位置におけるマッハ数は、最終的には、少なくとも前記出口(outlet、ベンチュリ出口)の断面積に応じて変化する。

この例示的なスロットラブル排気ベンチュリにつき、３つの代表的な断面が図５に示されている。例えば、領域１は、フィールド位置５５６における周囲流体流の断面積に対応している。領域２は、フィールド位置５５８に対応しており、周囲流体流と燃焼排気ガスとの双方についてのそれぞれの有効断面積を扱っている。領域３は、フィールド位置５６０、または、出口(exit)ノズル内の複数の位置のうちの、周囲流体流と燃焼排気ガス流との混合流が局所的な大気圧を有するとともに、そのノズルの壁面から剥離する傾向を有する位置に対応する。非混合状態との比較において完全混合状態の影響を理解するために、領域２および領域３におけるそれら流体流を詳細に議論する。

周囲流体流と燃焼排気ガス流体流とがスロート下流側において混合する現象は、出口(outlet、ベンチュリ出口）位置におけるマッハ数が比較的に小さいこと（エンジン排気ポート(port、アウトレット）における領域２の出口断面積が大きいことによって達成される）と相まって、燃焼排気ガスについての低いマッハ数の達成に寄与しており、そのようなマッハ数は、エンジン排気ガスについての強い負圧を可能にする。非混合ガス流は、燃焼排気ガスが、スロート位置において、非常に高くて、超音速でもあるマッハ数を有する可能性があり、このことは、図１３を参照すると、達成可能な負圧を大きく制限し、また、いくつかの場合には、さらに悪いことに、よどみ点背圧がこのスロットラブル排気ベンチュリに付加されてしまう。

燃焼エンジンからの互いに異なる複数の燃焼排気ガス・スロットル状態(throttling conditions、スロットル開度、絞り状態)が及ぼす影響を説明するために考慮すべきいくつかの設計事項についての例示的な事例が後述される。燃焼排気ガス質量流量を変化させると、周囲流体対燃焼排気ガスのいくつかの質量流量比εが、次のものに従って変化する。

図示の式（１５）を参照されたい。

ただし、それら変数のすべては、既に定義されている。添字の１および２は、燃焼排気ガス質量流量についての２つの相対的なスロットル状態(throttling states、スロットル開度、絞り状態)を示している。

式（１５）におけるいくつかの燃焼排気ガス質量流量は、式（９）を変形することによって誘導可能である。

図示の式（１６）を参照されたい。

ただし、それら変数のすべては、既に定義されている。式（１６）から、２つの状態間のエンジン排気ガス質量流量の比率を誘導できる。

図示の式（１７）を参照されたい。

ただし、それら変数のすべては、既に定義されているが、新たな用法も存在する。Ｍ_engine,x,yは、スロットラブル排気ベンチュリのうちの領域ｘの位置におけるマッハ数であって、相対的なスロットル状態ｙについてのものである。

説明の便宜上、式（１７）を、燃焼排気ガスの最大出力値であって、燃焼エンジンの最大動力出力値にほぼ対応するものに対して相対的に定義することが可能である。

図示の式（１８）を参照されたい。

ただし、それら変数のすべては、既に定義されている。

上述のように、有効スロートの断面積および／または位置は、一般に、燃焼排気ガス質量流量が変化するにつれて変化し、その理由は、燃焼排気ガスの質量流量が多いほど、燃焼排気ガスが、スロート領域内の周囲流体の複数本の流線の「ピンチ(pinch、縮流化、狭窄化)」を強く行う。例えば、音速絞り型(sonic choked）ベンチュリの例については、周囲流体の質量流量が、スロート内の周囲流体の複数本の流線の有効断面積によって効果的に制御されることになる。燃焼排気ガスの質量流量を変化させると、周囲流体の質量流量が変化するというこの効果であって、スロート位置における周囲流体の複数本の流線の有効断面積の変化に起因するものを説明するために、１つの例示的なモデルであって実験データに近似させる(fit to、当てはまる）ことが可能であるものは、次のものである。

図示の式（１９）を参照されたい。

ただし、σは、実験データに当てはめるためのパラメータ(experimentally fit parameter、実験的フィット・パラメータ)であって、通常は、正の値となるであろう。例えば、σ＝０の場合には、周囲流体流が、燃焼排気ガス流によって全く変化しないであろう。正の値が順次増加する場合には、燃焼排気ガス流の質量流量が増加すると、周囲流体についての有効スロート断面積が減少することにより、周囲流体の質量流量が減少するであろう。式（１７）および式（１９）を式（１５）に代入すると、周囲流体対燃焼排気ガスの質量流量比の、２つのスロットル状態間での比率であって対応するものを誘導できる。

図示の式（２０）を参照されたい。

ただし、それら変数のすべては、既に定義されている。この燃焼エンジンのパワー出力を、この燃焼エンジンのパワー出力の最大値に近似的に関連付けるために、式（１８）を式（２０）に代入することが可能である。

図示の式（２１）を参照されたい。

式（４）、（９）および（１０）から、混合流体流の出口（exit、ベンチュリ出口）位置における断面積の、ベンチュリのスロート内に流入する燃焼排気ガスの有効断面積に対する関係が、次のように誘導できる。

図示の式（２２）を参照されたい。

ただし、それら変数のすべては、既に定義されている。

図１８は、図１７に由来する複数の解の集まりを、別の設計上の拘束条件と共に示すグラフ１８００であり、その別の設計上の拘束条件は、３種類のベンチュリ・スロート設計例（すなわち、σ＝０、σ＝０．５およびσ＝１）において、それぞれ、有効スロートの断面積が、燃焼排気ガスの質量流量が増加するにつれて変化する特性に関連付けられている。それらスロート設計例の３つのすべてにおいて、それぞれ、燃焼排気ガスの質量流量のピーク値が、周囲流体対燃焼排気ガスの質量流量比が約１であるときに発生し、このとき、燃焼排気ガスのマッハ数のピーク値が約０．４であることが想定されている。

それら３種類の近似モデルは、スロート位置における複数の流体流相互作用（interactions、混合）についてのものであって、式（２１）に記述されているように、σに関連付けられており、それら近似モデルは、スロート位置における複数の流体流相互作用が、音速または音速に近い速度のスロットラブル排気ベンチュリの設計に別の拘束条件をどのようにして付与するのかを図示している。それらスロート設計例の３つのすべてにおいて、燃焼排気ガスの質量流量のピーク値（およびエンジン・パワーのピーク値の近似値）が、周囲流体対燃焼排気ガスの質量流量比が１．０であるときに発生し、このとき、燃焼排気ガスのマッハ数のピーク値が０．４であることが想定されている。これにより、強い負圧が、エンジン・パワーのピーク値においても達成されることが確保される。

図１９は、図１７および図１８に示す３種類のベンチュリ・スロート設計例（すなわち、σ＝０、σ＝０．５およびσ＝１）につき、それぞれ、周囲流体対燃焼排気ガスの質量流量比(mass flow ratio)が、燃焼排気ガスの質量流量出力比(mass flow output ratios、ベンチュリ出口位置における、燃焼排気ガスの質量流量の、混合流体流の質量流量に対する比率)が異なるにつれて変化する様子を示すグラフ１９００である。

図２０は、図１７，図１８および図１９に示す３種類のスロットリング(throttling)・ベンチュリ・スロート設計例（すなわち、σ＝０、σ＝０．５およびσ＝１）につき、適切な大気出口圧を達成するために、一様混合ベンチュリ出口断面積の、燃焼エンジン・ポート出口断面積(combustion engine port cross-sectional exit areas、燃焼エンジンの排気アウトレットから流出してスロートに流入した排気ガスの流線の断面積）に対する比率が、燃焼排気ガスの質量流量出力比に応じて変化する様子を示すグラフ２０００である。

この例示的なスロットラブル排気ベンチュリにつき、３つの代表的な断面が図５に示されている。例えば、領域１は、フィールド位置５５６における周囲流体流の断面積に対応している。領域２は、フィールド位置５５８に対応しており、周囲流体流と燃焼排気ガスとの双方についてのそれぞれの有効断面積を扱っている。領域３は、フィールド位置５６０、または、出口(exit)ノズル内の複数の位置のうちの、周囲流体流と燃焼排気ガス流との混合流が局所的な大気圧を有するとともに、そのノズルの壁面から剥離する傾向を有する位置に対応する。非混合状態との比較において完全混合状態の影響を理解するために、領域２および領域３におけるそれら流体流を詳細に議論する。

出口(exit)断面の位置における（例えば、図５に示す領域３の位置における）関連マッハ数(The corresponding Mach number、混合流体流のマッハ数）が図示されている。一実施態様においては、このように出口断面積(outlet area)の大きさが可変であるようにすることが、このベンチュリについての末広がり状の出口ノズルを用いて行われる。出口断面積(exit areas)についての互いに異なる複数の値が、それら３つの図示されたスロットリング(throttling)・ベンチュリ・スロート設計例につき、最適な大気出口圧力を決め、また、近音速または音速で作動するスロットラブル排気ベンチュリの複数の断面の全体を設計する際のファクタである。

例えば、σが約１．０である場合に式（２１）によって定義されるプロファイルを生成するシステム形状については、領域３の出口断面積が、燃焼排気ガスのスロットル状態の如何を問わず、ほぼ一定である。領域３の出口断面積が少しずつ変化するようにするためには、末広がり状に延びて大気に至るコーン（cone、円錐部）を用いることが可能である。あるベンチュリ設計構造であって、約１．０である場合に式（２１）に近似する周囲流体流ベンチュリ・スロート相互作用モデルと共に前述された音速／近音速の流線の拘束条件のすべてを満たすものは、燃焼排気ガスの出力状態の変化を、スロットル状態が変化する広範囲に亘って受動的に補償することが可能な音速／近音速で作動するベンチュリ設計構造を生成する。σが０により近づく場合に式（２１）に当てはまる別の設計構造については、音速／近音速で作動するベンチュリ排気システムの全体のうちの出口断面積（領域３）が、エンジン排気ガスの出力状態が変化するにつれてかなり変化する可能性がある。この拘束条件は、ベンチュリから大気に流出する混合流体流の出口断面積を効果的に変化させるメカニズム（例えば、イジェクタ・ノズル(ejector nozzle)またはアイリス・ノズル(iris nozzle、眼球の虹彩に似た開閉動作を行うノズル）のような可変出口を有するノズル）を用いて対処することが可能である。

一実施態様においては、上述の複数の方程式を用いて研究すると、ベンチュリの構造に関する他のいくつかの拘束条件が出現するかもしれない。第１に、負のゲージ圧を有し、かつ、低速の亜音速流体流であって音速の周囲空気流体流と混合しないものは、それら２つの流体流がいずれも局所的な大気圧への回復と、強い負圧の発生とを可能にする速度状態およびよどみ点圧力状態を生み出さないかもしれない。より具体的には、それら２つの流体流が効果的に混合しない場合には、負圧により、大気をベンチュリの出口ノズル内に引き込んでしまうとともに、ベンチュリ・スロートの内部における高速度（例えば、亜音速圧縮性流体の流速）の状態が生成されないようにベンチュリの機能が阻害されてしまう。いくつかの事例においては、背圧が生成されてしまうかもしれない。亜音速圧縮性流体流のベンチュリ・スロート位置におけるマッハ数（および、それに対応する強い負圧）を、それら２つの流体流の運動量およびエネルギー（熱エネルギーおよび運動エネルギー）を非常に完全に混合させることと、この混合流体流を大気圧に回復させることとにより、達成することが可能である。したがって、今回開示されているスロットラブル・ベンチュリは、非常に効果的な可変スロート(variable throat、有効スロート）と、それら２つの流体流を完全に混合させるための混合領域とを有する。この可変スロートおよび混合領域は、ベンチュリの下流側であって、混合流体流が局所的な大気内に流出する位置の手前に配置される。

別の実施態様においては、第２の拘束条件が、周囲流体の質量流量の、燃焼排気ガスの質量流量に対する相対的な比率である。周囲流体対燃焼排気ガスの質量流量比が０．１未満である場合には、スロットラブル・ベンチュリは、混合と、その混合された流体流が局所的な大気圧まで回復することとを行うのに十分な流体の運動量およびエネルギーを生み出さない。周囲流体対燃焼排気ガスの質量流量比が約２：１である場合には、スロットラブル・ベンチュリは、少ししか機能しない。その質量流量比がより大きく、１：１から１００：１までの範囲内にある場合には、スロットラブル・ベンチュリは、十分に機能する。スロットラブル・ベンチュリは、より大きな質量流量比の場合には、より大きなベンチュリ断面と、それに対応する非常により大きなベンチュリ・インレット断面とを組み込むことにより、作動することが可能である。しかし、ある作動点においては、車両のドラッグ、パッケージング(packaging、基本要素のレイアウト）および美観が、相対的な質量流量比の上限値を実質的に制限する可能性がある。

アメリカ航空諮問委員会（ＮＡＣＡ）は、航空機の翼用の一連の翼型(airfoil shapes、翼の断面形状）（例えば、翼設計、リフティング・シェイプ(lifting shapes)など）を開発してきており、それら翼型は、「ＮＡＣＡ」という用語に続くいくつかの数字によって識別される。いくつかの実施態様においては、ＮＡＣＡの翼型が、平面展開状態から、円形、長円形または他の閉じた形状に変形させられて(deflect)、本明細書に開示されているベンチュリ排気部の内部形状を形成する可能性がある。

図２１は、燃焼排気アウトレットの位置において負圧を作用させることにより、エンジン燃料効率を改善するための作動例２１００を示している。改善工程２１０５は、気相作動流体型動力発生装置のその作動流体からの熱損失を低減することと、その作動流体の完全膨張を可能にすることとにより、前記気相作動流体型動力発生装置の燃費を改善する。

低下工程２１１０は、前記作動流体からの熱損失を低減するために、排気圧を、負のゲージ圧でいう１ｐｓｉより大きい量だけ低下させることによって前記動力発生装置において平均有効作動ガス圧を低下させ、このとき、気相作動流体の熱損失量の、ガス圧に対する応答が線型に近い特性を有することが考慮される。提供工程２１１５は、前記動力発生装置の動力サイクル中に作動流体ガスの膨張を制限するガスを占める容積を取り除くために、排気圧を、負のゲージ圧でいう１ｐｓｉより大きい量だけ低下させ、それにより、強い排気ガス負圧を提供し、それにより、取り出される仕事量を増加させ、それにより、前記動力発生装置において作動流体ガスの膨張度を増加させる。

一実施態様においては、低下工程２１１０および提供工程２１１５が、燃焼エンジン排気ガスの質量流量に基づき、その燃焼エンジン排気ガスに作用する負のゲージ圧を調整することにより、達成される。別の実施態様においては、低下工程２１１０および提供工程２１１５が、燃焼エンジン排気ガスの質量流量を測定し、その測定された質量流量を、燃焼エンジン排気ガスに負のゲージ圧を作用させるバキューム・ポンプのためのコントローラに提供することにより、達成される。

搭載工程２１２０は、前記動力発生装置の排気部に、別の圧力比を、利用可能な機械的仕事に変換する別の動力取出しメカニズム（例えば、タービン）を搭載する、種々の実施態様においては、１または複数の作動例２１００が、今回開示されている技術に従うスロットラブル排気ベンチュリの内部に、またはそれと組み合されて用いられる。

図２２は、エンジンの燃料効率を向上させるために、スロットラブル排気ベンチュリを用いるための作動例２２００を示している。取入れ工程２２０５は、周囲流体流をこのスロットラブル排気ベンチュリ内に取り入れる。例示的な実施態様においては、そのスロットラブル排気ベンチュリが、移動する車両に装着される。その車両の動きにより、高速の（例えば、亜音速圧縮性流体の流速）の周囲流体流であって、このベンチュリを通過する空気により構成されるものが生成される。加速工程２２１０は、このベンチュリ内において前記周囲流体流を前記高速度まで加速する。一実施態様においては、この加速が、このベンチュリを用いて達成される。このベンチュリ排気システムの断面積は、前記周囲流体流を高速度まで加速するのに十分である程度まで減少させられる。

噴射工程２２１５は、可変の燃焼排気ガス流を前記高速の周囲流体流に、このベンチュリの有効スロートの位置において噴射する。燃焼エンジンを用いる一実施態様においては、その燃焼エンジンの排気ガスが、可燃の排気ガス質量流量を有する（例えば、その燃焼エンジンの動力出力の変動に依拠する）。その燃焼エンジン排気ガスが、このベンチュリ排気システムに流出する出口は、このベンチュリ排気システムの実スロートと同じ位置またはその近傍位置にあり、可変の有効ベンチュリ・スロートを形成する。このベンチュリは、燃焼エンジンの広範な作動範囲（特に、燃焼排気ガス質量流量に関して）に亘って作動するように構成される。

燃焼エンジン排気部をこのベンチュリのスロートの近傍位置に配置することにより、燃焼エンジン排気部の位置に、局所的な低圧領域が形成される。その結果は、燃焼エンジン排気部に負のゲージ圧が発生するということであり、その負のゲージ圧は、燃焼エンジン排気部上に負圧を提供する。この特徴により、効率の大きな向上が得られ、このことは既に詳述されたとおりである。

混合工程２２２０は、このベンチュリの有効スロートより下流の位置において、前記噴射された燃焼排気ガス流を前記高速の前記周囲流体流と混合させる。エンジン排気部の位置における局所的な低圧領域は、このベンチュリの放出部(discharge、ベンチュリ出口）内を逆流する大気圧の周囲流体によって阻害されてしまう可能性がある。混合工程２２２０は、この周囲流体の逆流を防止し、さらに、前記局所的な低圧領域が阻害されることも防止する。剥離工程２２２５は、前記混合流体流が、局所的な周囲外気圧を有する位置において、このベンチュリの１または２以上の内面から剥離することを可能とする。一実施態様においては、このベンチュリが膨張コーンを採用し、その膨張コーンは、前記噴射された燃焼排気ガス流が周囲流体流と混合される位置の下流側に位置する。その混合流体流が外気圧とほぼ等しい圧力に回復すると、その混合流体流は、このベンチュリの内面から剥離する。

付与工程２２３０は、らせん回転運動を、前記周囲流体流、前記燃焼排気ガス流および前記混合流体流のうちの少なくとも一つに付与する。この付与工程２２３０は、このベンチュリ内を流れる流体の内部に配置される１または複数の渦発生器を用いることにより、達成することが可能である。そのらせん回転運動により、上述の複数の流体流が「硬直化(stiffen)」し、それにより、それら流体流が、流体流の方向の変化の影響を受け難くなる。放出工程２２３５は、前記排気ガスと前記周囲流体との混合流体を放出する。前記有効スロートの下流側において、このベンチュリの断面積が増加し、それにより、前記混合流体がこのベンチュリから放出されるまで、その混合流体の速度が減少する。種々の実施態様においては、１または複数の作動例２２００が、今回開示されている技術に従うスロットラブル排気ベンチュリの内部に、またはそれと組み合されて用いられる。

一実施態様においては、翼型ＮＡＣＡ４４２４であって、高揚抗比(lift ratio)を有する翼断面形状を有するものが、スロットラブル排気ベンチュリの内面形状のためのテンプレートとして用いられる。そのＮＡＣＡ４４２４は、低損失にして前記周囲流体流を加速させることに役立ち、その目的は、低圧領域を燃焼排気ガスの出口ポート上に直接的に形成することにあり、それにより、それらポートから流出する排気ガス上に吸引力を発生させ、それにより、排気ガスを燃焼エンジンから引き出す真空状態の形成が開始される。他の複数のＮＡＣＡ翼型であって揚抗比が互いに異なるものを、低圧領域を燃焼排気ガスの出口ポート上に形成するために実装することが可能である。さらに、ベンチュリについての任意の形状、構造または形式を、低圧領域を燃焼排気ガスの出口ポート上に直接的に形成するために実装することが可能である。

図２３は、本明細書に開示されている設計方針に基づくスロットラブル排気ベンチュリを用いた複数の路上試験の実例(road test trials)と、対応する相対的燃費改善率とを示している。図２３は、さらに、今回開示されている技術につき、比較のための試験結果であって燃費に関するものも示している。

上述の方法および装置は、最も実用的で望ましいいくつかの実施形態として現在考えられるものが何かという観点で説明されてきたが、理解すべきことは、その開示範囲を、開示されているいくつかの実施形態に限定することは不要であるということである。特許請求の範囲に係る発明の主旨および精神の範囲内にある種々の変更および同様な態様を包含することが意図されており、特許請求の範囲に係る発明の範囲は、それら変更および同様な態様をすべて包含するように、最大限に広く解釈されることが許されるべきである。本明細書の開示範囲は、後述の特許請求の範囲に記載の複数の実施形態のいずれも包含している。

さらに理解すべきことは、本発明の本質から逸脱することなく種々の変更を行うことが可能であるということである。それらの変更は、本明細書内に黙示的に包含されることもある。それら変更も依然として本発明の範囲内に包含される。理解すべきことは、本明細書の開示範囲は、本発明の多数の側面を包含する特許を生み出すことを意図されており、それら側面は、互いに独立している場合もあれば、一つの全体システムを構成する場合もあり、また、方法という形態である場合も、装置という形態である場合もあるということである。

さらに、本発明および複数の請求項の種々の構成要素の各々は、種々の方式によって達成される可能性もある。本明細書の開示範囲は、そのような種々のバリエーションのそれぞれを包含することと、各バリエーションは、装置としての実施態様または方法としての実施態様の一実施形態の一バリエーションであるか、または、各構成要素の一バリエーションにすぎないこともあることを理解すべきである。特に、理解すべきことは、本明細書の開示が本発明の複数の構成要素に関連するため、各構成要素についての用語は、たとえその機能または効果が同一であったとしても、装置または方法についての等価な用語によって表現される可能性があるということである。

そのような等価な用語、より広義の用語または一層より上位概念の用語が、各構成要素または各動作（act、作用、工程）を説明する文章内に包含されることを考慮すべきである。そのような用語は、本発明に与えられる黙示的な広い権利範囲を明確化することが必要である場合に、置換される可能性がある。理解すべきことは、すべての動作(actions)を、該当する動作を行う手段、または、該当する動作を発生させる要素として表現することが可能であるということである。同様に、本明細書に開示されている各物理的要素は、その物理的要素によって促進される動作についての開示事項を包含していると理解すべきである。

本特許出願書類内で言及されたいずれの特許文献、刊行物および他の参考文献も、引用によって本明細書に合体させられる。さらに、用いられた各用語に関し、理解すべきことは、本出願書類内でのその用語の使い方が、それら引用された文献での解釈と一致しない場合には、通常の辞書内の定義が各用語について引用されているものとして理解すべきであり、また、当業者によって認知されている標準的な技術用語辞典と、ランダムハウスウェブスタ英語大辞典の最新版とのうちの少なくとも一方が引用によって本明細書に合体させられるということである。

最後に、情報開示陳述書または他の情報陳述書であって本願と一緒に提出されたものに列挙されているすべての参考文献は、添付されるとともに引用によって本明細書に合体させられるが、上述の各文献に関し、引用によって合体させられるそれらの情報または陳述書が本発明の特許と矛盾すると考えられるかもしれない範囲において、それらの陳述書は、本出願人が作成した通りに考えるわけではないことが明らかである。ここに、理解すべきことは、実務上の理由のため、および、潜在的な数百もの請求項を追加することを避けるため、本出願人は、最初の従属要素(dependencies、帰属要素）のみに関し、請求項を提示した。

サポートが、新規事項に関する法律であって、米国特許法第１３２条または他の同種の法律を非排他的に含むものによって要求される程度まで存在すると理解すべきであり、このサポートは、１つの独立形式請求項または１つの概念のもとに存在する種々の従属要素または他の要素を、他の独立形式請求項のもとに存在する従属要素または要素として追加することを許容するためのものである。

非本質的な差替えが行われる範囲、本出願人が、実際、特定の実施態様を文言上包含するようにある請求項を作成することを行わなかった範囲、および、他の適用可能な範囲において、本出願人は、そのような権利範囲を意図することも実際に補充することも決してしていなかったと理解すべきではなく、その理由は、本出願人が、すべての不測の事態を予想することができなかったにすぎないかもしれないからであり、当業者が、そのような別の実施態様を文言上包含していたであろう請求項を作成していたであろうということを予想することが妥当あるとはすべきではないからである。

さらに、「含む」というつなぎの言葉の用法は、従来からの特許請求の範囲の解釈手法に従い、請求項が「オープン・エンド型（open-ended、請求項に明記されていない要素または工程が実施技術に含まれていても、それのみを理由にその実施技術を本発明の範囲から排除することをしない）」であることを主張するために用いられる。よって、文脈上、それとは異なることが要求されない限り、理解すべきことは、「含む」という用語またはそれの活用形は、明記された要素もしくは工程または明記された要素群もしくは工程群を包含することを意味するとともに、他の要素もしくは工程または他の要素群もしくは工程群の排除を意味しないということである。それらの用語は、その使用形態の如何を問わず、本出願人に、法律的に許容される最大の権利範囲を与えるように解釈すべきである。

以上説明した仕様、いくつかの例およびデータにより、本発明のいくつかの例示的な実施形態につき、構成および用途が完全に説明される。本発明の多くの実施形態を、本発明の主旨および範囲を逸脱することなく、実現可能であるため、本発明は、添付された特許請求の範囲の欄に存在する。さらに、記載された特許請求の範囲から逸脱することなく、それら互いに異なる複数の実施形態の構造的特徴を組み合せてさらに別の実施形態とすることが可能である。

本発明によれば、下記の態様も得られる。
（態様１）
スロットラブル(throttleable)・ベンチュリであって、
有効スロート(effective throat)を含み、その有効スロートは、可変のサイズを有し、そのサイズは、分離状態にある第１流体流の、分離状態にある第２流体流に対する質量流量比(mass flow ratio)の、当該ベンチュリの前記有効スロートの位置における値によって定義されるスロットラブル・ベンチュリ。
（態様２）
前記有効スロートは、当該ベンチュリの実スロート(physical throat)の下流側に位置する態様１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
（態様３）
前記第２流体流は、マッハ約０．３より速い速度で当該ベンチュリの前記有効スロート内を流れる周囲流体流であり、
前記第１流体流は、マッハ約０．３より遅い速度で当該ベンチュリの前記有効スロート内に噴射される燃焼排気ガス流体流である態様１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
（態様４）
当該ベンチュリは、前記第２流体流の、前記第１流体流に対する質量流量比が１：１から１０：１までの範囲内にある場合に、０のゲージ圧より約１ｐｓｉだけ大きい値だけ低い負のゲージ圧を、前記第１流体流において実現する態様１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
（態様５）
当該ベンチュリは、さらに、前記有効スロートの下流側の位置であって、分離状態にある前記第１流体流および分離状態にある前記第２流体流が互いに混合されて混合流体流となる位置に位置する混合領域を含む態様１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
（態様６）
当該ベンチュリは、さらに、末広がり状の排気ガス・コーンを含み、その排気ガス・コーンは、前記混合流体流が、当該排気ガス・コーンの表面から、前記有効スロートの下流側の位置であって前記有効スロートのサイズに基づくものにおいて剥離することを可能にする態様５に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
（態様７）
当該ベンチュリは、さらに、１または複数の渦発生器を含み、その渦発生器は、前記混合流体流の内部に配向されるとともに、その混合流体流にらせん運動を付与する態様５に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
（態様８）
当該ベンチュリは、さらに、１または複数の渦発生器を含み、その渦発生器は、分離状態にある前記第１流体流および分離状態にある前記第２流体流の一方または双方の内部に配向されるとともに、分離状態にある前記第１流体流および分離状態にある前記第２流体流の一方または双方にらせん運動を付与する態様１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
（態様９）
前記有効スロートは、分離状態にある前記第１流体流の、分離状態にある前記第２流体流に対する質量流量比が増加するにつれて減少するサイズを有する態様１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
（態様１０）
前記有効スロートは、さらに、当該ベンチュリの内部において、可変の位置を有し、その位置は、分離状態にある前記第２流体流および分離状態にある前記第１流体流の一方または双方の質量流量によって定義される態様１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
（態様１１）
前記有効スロートは、当該ベンチュリの内部において、分離状態にある前記第１流体流の、分離状態にある前記第２流体流に対する質量流量比が増加するにつれて下流側に移動する態様１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
（態様１２）
当該ベンチュリの内面形状は、翼型ＮＡＣＡ４４２４によって定義される態様１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
（態様１３）
当該ベンチュリの内面形状は、リフティング・ボディ形状によって定義される態様１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
（態様１４）
方法であって、
スロットラブル(throttleable)・ベンチュリの有効スロートの位置において、第１流体流を第２流体流内に噴射する工程を含み、
前記有効スロートは、可変のサイズを有し、そのサイズは、前記第１流体流の、前記第２流体流に対する質量流量比(mass flow ratio)によって定義される方法。
（態様１５）
前記有効スロートは、前記ベンチュリの実スロートの下流側に位置する態様１４に記載の方法。
（態様１６）
前記第２流体流は、マッハ約０．３より速い速度で前記ベンチュリの前記有効スロート内を流れる周囲流体流であり、
前記第１流体流は、マッハ約０．３より遅い速度で前記ベンチュリの前記有効スロート内に噴射される燃焼排気ガス流体流である態様１４に記載の方法。
（態様１７）
前記ベンチュリは、前記第２流体流の、前記第１流体流に対する質量流量比が１：１から１０：１までの範囲内にある場合に、０のゲージ圧より約１ｐｓｉだけ大きい値より低い負のゲージ圧を、前記第１流体流において実現する態様１４に記載の方法。
（態様１８）
さらに、前記有効スロートの下流側の位置において、分離状態にある前記第１流体流を分離状態にある前記第２流体流に混合させ、それにより、混合流体流を生成する工程を含む態様１４に記載の方法。
（態様１９）
さらに、前記混合流体流を、末広がり状の排気ガス・コーンの表面から、前記有効スロートより下流側の位置であって前記有効スロートのサイズに基づくものにおいて剥離させる工程を含む態様１８に記載の方法。
（態様２０）
さらに、らせん運動を前記混合流体流に付与する工程を含む態様１８に記載の方法。
（態様２１）
さらに、らせん運動を前記第１流体流および前記第２流体流の一方または双方に付与する態様１４に記載の方法。
（態様２２）
前記有効スロートは、前記第１流体流の、前記第２流体流に対する質量流量比が増加するにつれて減少するサイズを有する態様１４に記載の方法。
（態様２３）
前記有効スロートは、さらに、前記ベンチュリの内部において、可変の位置を有し、その位置は、前記第１流体流および前記第２流体流の一方または双方の質量流量によって定義される態様１４に記載の方法。
（態様２４）
前記有効スロートは、前記ベンチュリの内部において、分離状態にある前記第１流体流の、分離状態にある前記第２流体流に対する質量流量比が増加するにつれて下流側に移動する態様２３に記載の方法。
（態様２５）
前記ベンチュリの内面形状は、翼型ＮＡＣＡ４４２４によって定義される態様１４に記載の方法。
（態様２６）
前記ベンチュリの内面形状は、リフティング・ボディ形状によって定義される態様１４に記載の方法。
（態様２７）
スロットラブル(throttleable)・ベンチュリであって、
当該ベンチュリの有効スロートの位置において、周囲流体流をマッハ約０．３より速い亜音速まで加速する周囲流体通路と、
当該ベンチュリの前記有効スロートの位置において、燃焼エンジン排気ガス流を前記周囲流体流内に放出する燃焼エンジン排気アウトレットと
を含み、
当該ベンチュリの前記有効スロートは、前記周囲流体流の、前記燃焼エンジン排気ガス流に対する質量流量比(mass flow ratio)に応じて変化するサイズおよび位置を有するスロットラブル・ベンチュリ。

Claims (27)

1. スロットラブル(throttleable)・ベンチュリであって、
   外側ハウジングと、
   その外側ハウジング内を延びる中央管であって、インレットとアウトレットとを有し、当該中央管の内部を、第１流体流が、前記インレットから前記アウトレットに向かって流れるものと、
   それら外側ハウジングと中央管との間に形成された周囲流体通路であって、その内部を第２流体流が流れるとともに、前記アウトレットの位置において前記第１流体流が前記中央管を貫通して前記第２流体流に合流し、それにより、その第２流体流のピンチが前記アウトレットの位置において前記合流した第１流体流によって発生するものと
   を含み、
   当該ベンチュリは、前記周囲流体通路内であって、前記外側ハウジングのうち、前記アウトレットより上流側の位置に、当該ベンチュリのうち、前記第２流体流の流路断面積が実質的に最小であるように実スロートが形成される形状を有しており、
   その実スロートが前記アウトレットより上流側に配置されることにより、前記ピンチと協働して、前記実スロートより下流側にずれた位置に、その実スロートより前記第２流体流の流路断面積が小さい有効スロートが形成されており、
   その有効スロートの断面積は、前記第１流体流の、前記第２流体流に対する質量流量比が小さい状態においては大きく、大きい状態においては小さいというように可変であるスロットラブル・ベンチュリ。
2. 前記有効スロートの位置は、前記質量流量比が小さい状態においては上流側に位置し、大きい状態において下流側に位置するというように可変であるが、当該ベンチュリは、前記質量流量比が変化する範囲に亘って、前記有効スロートの位置が、前記アウトレットが位置する領域に滞留する形状を有する請求項１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
3. 前記第２流体流は、マッハ約０．３より速い速度で当該ベンチュリの前記有効スロート内を流れる周囲流体流であり、
   前記第１流体流は、マッハ約０．３より遅い速度で当該ベンチュリの前記有効スロート内に噴射される燃焼排気ガス流体流である請求項１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
4. 当該ベンチュリは、前記第２流体流の、前記第１流体流に対する質量流量比が１：１から１０：１までの範囲内にある場合に、０のゲージ圧より約１ｐｓｉだけ大きい値だけ低い負のゲージ圧を、前記第１流体流において実現する請求項１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
5. 当該ベンチュリは、さらに、前記有効スロートの下流側の位置であって、分離状態にある前記第１流体流および分離状態にある前記第２流体流が互いに混合されて混合流体流となる位置に位置する混合領域を含む請求項１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
6. 当該ベンチュリは、さらに、末広がり状の排気ガス・コーンを含み、その排気ガス・コーンは、前記混合流体流が、当該排気ガス・コーンの表面から、前記有効スロートの下流側の位置であって前記有効スロートのサイズに基づくものにおいて剥離することを可能にする請求項５に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
7. 当該ベンチュリは、さらに、１または複数の渦発生器を含み、その渦発生器は、前記混合流体流の内部に配向されるとともに、その混合流体流にらせん運動を付与する請求項５に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
8. 当該ベンチュリは、さらに、１または複数の渦発生器を含み、その渦発生器は、分離状態にある前記第１流体流および分離状態にある前記第２流体流の一方または双方の内部に配向されるとともに、分離状態にある前記第１流体流および分離状態にある前記第２流体流の一方または双方にらせん運動を付与する請求項１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
9. 前記有効スロートは、分離状態にある前記第１流体流の、分離状態にある前記第２流体流に対する質量流量比が増加するにつれて減少するサイズを有する請求項１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
10. 前記有効スロートは、さらに、当該ベンチュリの内部において、可変の位置を有し、その位置は、分離状態にある前記第２流体流および分離状態にある前記第１流体流の一方または双方の質量流量によって定義される請求項１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
11. 前記有効スロートは、当該ベンチュリの内部において、分離状態にある前記第１流体流の、分離状態にある前記第２流体流に対する質量流量比が増加するにつれて下流側に移動する請求項１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
12. 当該ベンチュリの内面形状は、翼型ＮＡＣＡ４４２４によって定義される請求項１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
13. 当該ベンチュリの内面形状は、リフティング・ボディ形状によって定義される請求項１に記載のスロットラブル・ベンチュリ。
14. 外側ハウジングと、その外側ハウジング内を延びる中央管と、実スロートとを有するベンチュリを作動させる方法であって、
    第１流体流を、前記中央管から排出する工程であって、前記中央管は、インレットとアウトレットとを有し、前記第１流体流は、前記中央管内を、前記インレットから前記アウトレットに向かって流れるとともに、そのアウトレットから、前記中央管と前記外側ハウジングとの間に排出され、前記アウトレットは、前記実スロートの下流側に配置されるものと、
    前記第１流体流を、前記アウトレットから、前記外側ハウジングと前記中央管との間を流れる第２流体流内に噴射し、それにより、前記第１流体流を前記第２流体流に合流させ、それにより、前記実スロートから下流側にずれた位置に、その実スロートより流路断面積が小さい有効スロートを形成する工程であって、前記有効スロートは、前記外側ハウジングと前記中央管との間に形成されるとともに、前記第１流体流の、前記第２流体流に対する質量流量比(mass flow ratio)に応じて変化するサイズを有するものと
    を含む方法。
15. 前記第１流体流は、マッハ約０．３より遅い速度で前記ベンチュリの前記有効スロート内に噴射される燃焼排気ガス流体流である請求項１４に記載の方法。
16. 前記第２流体流は、マッハ約０．３より速い速度で前記ベンチュリの前記有効スロート内を流れる周囲流体流である請求項１４に記載の方法。
17. 前記ベンチュリは、前記第２流体流の、前記第１流体流に対する質量流量比が１：１から１０：１までの範囲内にある場合に、０のゲージ圧より約１ｐｓｉだけ大きい値より低い負のゲージ圧を、前記第１流体流において実現する請求項１４に記載の方法。
18. さらに、前記有効スロートの下流側の位置において、分離状態にある前記第１流体流を分離状態にある前記第２流体流に混合させ、それにより、混合流体流を生成する工程を含む請求項１４に記載の方法。
19. さらに、前記混合流体流を、末広がり状の排気ガス・コーンの表面から、前記有効スロートより下流側の位置であって前記有効スロートのサイズに基づくものにおいて剥離させる工程を含む請求項１８に記載の方法。
20. さらに、らせん運動を前記混合流体流に付与する工程を含む請求項１８に記載の方法。
21. さらに、らせん運動を前記第１流体流および前記第２流体流の一方または双方に付与する請求項１４に記載の方法。
22. 前記有効スロートは、前記第１流体流の、前記第２流体流に対する質量流量比が増加するにつれて減少するサイズを有する請求項１４に記載の方法。
23. 前記有効スロートは、さらに、前記ベンチュリの内部において、可変の位置を有し、その位置は、前記第１流体流および前記第２流体流の一方または双方の質量流量によって定義される請求項１４に記載の方法。
24. 前記有効スロートは、前記ベンチュリの内部において、分離状態にある前記第１流体流の、分離状態にある前記第２流体流に対する質量流量比が増加するにつれて下流側に移動する請求項２３に記載の方法。
25. 前記ベンチュリの内面形状は、翼型ＮＡＣＡ４４２４によって定義される請求項１４に記載の方法。
26. 前記ベンチュリの内面形状は、リフティング・ボディ形状によって定義される請求項１４に記載の方法。
27. スロットラブル(throttleable)・ベンチュリであって、
    外側ハウジングと、
    その外側ハウジング内を延びる中央管であって、インレットとアウトレットとを有し、当該中央管の内部を、燃焼エンジン排気ガス流が、前記インレットから前記アウトレットに向かって流れるものと、
    それら外側ハウジングと中央管との間に形成された周囲流体通路であって、その内部を周囲流体流が流れるとともに、前記アウトレットの位置において前記燃焼エンジン排気ガス流が前記中央管を貫通して前記周囲流体流に合流し、それにより、その周囲流体流のピンチが前記アウトレットの位置において前記合流した燃焼エンジン排気ガス流によって発生するものと
    を含み、
    当該ベンチュリは、前記周囲流体通路内であって、前記外側ハウジングのうち、前記アウトレットより上流側の位置に、当該ベンチュリのうち、前記周囲流体流の流路断面積が実質的に最小であるように実スロートが形成される形状を有しており、
    その実スロートが前記アウトレットより上流側に配置されることにより、前記ピンチと協働して、前記実スロートより下流側にずれた位置に、その実スロートより前記周囲流体流の流路断面積が小さい有効スロートが形成されており、
    その有効スロートの断面積は、前記燃焼エンジン排気ガス流の、前記周囲流体流に対する質量流量比が小さい状態においては大きく、大きい状態においては小さいというように可変であり、
    前記周囲流体通路は、前記有効スロートの位置において、前記周囲流体流をマッハ約０．３より速い亜音速まで加速する形状を有しており、
    当該ベンチュリは、前記周囲流体通路内に、前記有効スロートより下流側に位置する混合領域であって、前記燃焼エンジン排気ガス流と前記周囲流体流とが混合して混合流体流となるものを有しており、
    当該ベンチュリは、さらに、１または複数の渦発生器であって、前記混合流体流の内部に配置されるとともに、その混合流体流にらせん運動を付与するものを含むスロットラブル・ベンチュリ。

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